Motoarele pentru robot fac parte din unități. Am învățat despre robotică în general la pasul unu. La al doilea pas, am decis ce fel de robot vom face. Trebuie să instalăm actuatoare care vor face robotul să se miște.

Alegerea unui motor pentru un robot depinde direct de sarcinile pe care robotul trebuie să le îndeplinească. Motorul (motorul) poate face parte din unitate sau poate fi separat o unitate.

Un actuator poate fi definit ca un dispozitiv care convertește energia (de obicei energia electrică în robotică) în mișcare fizică.

Marea majoritate a actuatoarelor produc fie mișcare rotativă, fie mișcare liniară. De exemplu, un motor este un tip de acționare. Alegerea potrivita actuatoare pentru robotul dvs. necesită înțelegerea ce dispozitive de acționare sunt disponibile. Poate puțină fantezie și puțină matematică și fizică.
Acționările rotative sunt un tip de acționări care convertesc energia electrică în mișcare de rotație.

motor AC

Un motor cu curent alternativ (AC) este rar folosit la roboții mobili. În primul rând pentru că majoritatea sunt alimentate cu curent continuu (DC) de la baterie. Motoarele de curent alternativ sunt utilizate în principal în spatii industriale unde este necesar un cuplu foarte mare. În primul rând, unde motoarele sunt conectate la rețea.

motoare de curent continuu

Motoare cu curent continuu MotorMotoarele cu curent continuu au o varietate de forme și dimensiuni. Deși majoritatea sunt cilindrice. Au un arbore de ieșire care se rotește la viteze mari, de obicei între 5.000 și 10.000 rpm. Deși motoarele de curent continuu se rotesc foarte repede, cele mai multe dintre ele nu sunt foarte puternice. Astfel de motoare robot au un cuplu redus.

Pot fi adăugate reductoare pentru a reduce viteza și pentru a crește cuplul. Pentru a instala motorul pe robot, trebuie să atașați carcasa motorului la cadrul robotului. Din acest motiv, motoarele robot au adesea găuri de montare, care sunt de obicei situate pe partea frontală a motorului. Prin urmare, ele pot fi instalate perpendicular pe suprafață.

Motoarele de curent continuu pot fi acționate în sensul acelor de ceasornic (CW) și în sens invers acelor de ceasornic. Mișcarea unghiulară a arborelui poate fi măsurată cu ajutorul codificatoarelor sau potențiometrelor.

Este un motor DC combinat cu o cutie de viteze. Funcționează pentru a reduce turația motorului și a crește cuplul. De exemplu, un motor de curent continuu se rotește la 10.000 rpm și atinge un cuplu de 0,001 Nm. Dacă adăugăm o schimbare în treaptă descendentă de 100:1 (o sută la unu) vom reduce viteza cu un factor de 100. Ca rezultat, 10000 / 100 = 100 rpm și crește cuplul de 100 de ori (0,001 x 100 = 0,1 N * m).

Principalele tipuri de reductoare sunt:

1. Angrenaj
2. centura
3. planetar
4. vierme

Angrenajul melcat vă permite să obțineți un raport de transmisie foarte mare cu doar un pas. De asemenea, împiedică mișcarea arborelui de ieșire dacă motorul nu funcționează.

Servo motor

Tipul de motor pe care îl utilizați depinde de tipul de mișcare pe care îl doriți.

R/C sau servomotor hobby

Adesea, servomotoarele de acest tip se pot roti până la 180 de grade. Se rotesc la un anumit unghi de rotație. Și adesea folosit în modele mai scumpe de mijloace de telecomandă pentru controlul sau controlul zborului.

Acum sunt folosite în diverse aplicații. Prețurile acestor servo-uri au scăzut semnificativ, iar varietatea (diferite dimensiuni, tehnologii și puncte forte) a crescut. Un factor comun pentru majoritatea servo-urilor este că majoritatea folosesc doar aproximativ 180 de grade de rotație.
Servomotorul R/C include un motor DC, cutie de viteze, electronice și un potențiometru rotativ care măsoară unghiul.

Electronica și potențiometrul funcționează sincronizat pentru a controla motorul și a opri arborele de ieșire la un unghi dat. Aceste motoare au de obicei trei fire: masă, V și un impuls de control. Impulsul de control este de obicei preluat de la controlerul servomotorului. Hobby servomotor este tip nou servo. Aceasta implică rotație continuă și feedback de poziție. Toate servomotoarele se pot roti fie la dreapta, fie la stânga.

Servomotoare industriale

Un servomotor acționat industrial funcționează diferit față de un motor hobby și este mai frecvent la mașinile foarte mari. Un servomotor industrial este de obicei trifazat și constă dintr-un motor AC, o cutie de viteze și un encoder. Codificatorul instalat oferă feedback privind poziţia unghiulară şi viteza.

Aceste motoare sunt rareori utilizate în roboții mobili din cauza greutății, dimensiunii, costului și complexității lor. Puteți vedea servomotoare industriale pe manipulatoare industriale puternice. Ele pot fi utilizate pe vehicule robotizate foarte mari.

Motoare pas cu pas

Un motor pas cu pas se rotește în anumiți „pași” (de fapt, grade specifice). Numărul de pași și dimensiunea pasului depind de mai mulți factori. Majoritatea motoarelor pas cu pas nu includ angrenaje. Deoarece acestea sunt motoare de curent continuu și cuplul este scăzut.

Un motor pas cu pas reglat corespunzător se poate roti la dreapta și la stânga și poate fi setat în poziția unghiulară necesară. Există tipuri unipolare și bipolare de motoare pas cu pas. Un dezavantaj notabil al motoarelor pas cu pas este că, dacă motorul nu funcționează, este dificil să fii sigur de unghiul de pornire al motorului.

Dacă adăugați un angrenaj, atunci un motor pas cu pas are același efect ca și adăugarea unui angrenaj la un motor de curent continuu: crește cuplul și reduce viteza unghiulară. Deoarece viteza este redusă de raportul de transmisie, dimensiunea treptei este, de asemenea, redusă cu același factor.

Acționări liniare

Un actuator liniar produce mișcare liniară (mișcare de-a lungul unei singure linii drepte) și are trei caracteristici mecanice distinctive principale.

1. Distanța minimă și maximă pe care tija poate deplasa arborele (în mm sau inci)
2. Forța lor (în kg sau lire sterline)
3. Viteza lor (în m/s sau inch/s)

Actuator liniar DC

Un actuator liniar de curent continuu constă adesea dintr-un motor de curent continuu conectat la un angrenaj melcat. Când motorul se rotește, suportul elicei va fi fie mai aproape, fie mai departe de motor. În esență, un angrenaj melcat transformă mișcarea de rotație în mișcare liniară.

Unele actuatoare liniare DC includ un potențiometru liniar care oferă feedback liniar. Pentru a împiedica defectarea completă a actuatorului, mulți producători includ întrerupătoare de limită la ambele capete. De obicei, pentru a întrerupe sursa de alimentare a unității atunci când le apăsați. Actuatoarele liniare DC vin într-o mare varietate de dimensiuni și tipuri.

Solenoidul constă dintr-o bobină înfăşurată în jurul unui miez în mişcare. Când bobina este alimentată, miezul este respins de camp magneticși face mișcări într-o singură direcție. Vor fi necesare mai multe bobine sau unele mecanisme mecanice pentru a asigura mișcarea în două direcții.

Solenoizii sunt de obicei foarte mici, dar viteza lor este foarte mare. Puterea depinde în principal de dimensiunea bobinei și de cât de mult curent trece prin ea. Acest tip de actuator este utilizat în supape sau sisteme de blocare. Aceste sisteme de obicei nu părere după poziție (miezul este fie complet retras, fie complet extins).

Acționări pneumatice și hidraulice

Actuatoarele pneumatice și hidraulice care utilizează aer sau lichid (de exemplu apă sau ulei) servesc la deplasarea liniară. Aceste tipuri de unități pot avea curse foarte lungi, putere mare și viteză mare.

Pentru a fi operate, acestea necesită utilizarea unui compresor de fluid. Acest lucru le face mai dificil de operat decât actuatoarele electrice convenționale. Au putere mare, viteză și sunt de obicei mari ca dimensiuni. Și folosit în principal în echipamente industriale.

Selectarea unității

Este important de remarcat faptul că noi și tehnologii inovatoare si nimic nu este permanent. De asemenea, rețineți că o singură unitate poate funcționa foarte sarcini diferiteîn conditii diferite. De exemplu, cu mecanici diferite. Un actuator care produce o mișcare liniară poate fi folosit și pentru a întoarce un obiect înapoi (similar cu curățarea geamurilor auto).

Roboți cu roți sau șenile

Motoarele de antrenare pentru robot trebuie să miște greutatea întregului robot și cel mai probabil vor necesita un reducător. Majoritatea roboților folosesc frânarea cu roți pe o parte. În timp ce mașinile sau camioanele tind să folosească direcția.

Dacă alegeți skid steer, motoarele cu curent continuu sunt alegerea perfectă pentru roboții cu roți sau șenile. La urma urmei, acestea oferă rotație continuă și pot avea feedback opțional de poziție folosind codificatoare optice. Sunt foarte ușor de programat și de utilizat.

Dacă doriți să utilizați direcția, veți avea nevoie de un motor de antrenare și un motor pentru a direcționa roțile din față. Rotația este limitată la un anumit unghi și poate fi aplicat servo R/C.

Motorul este folosit pentru a ridica sau a întoarce o greutate mare. Ridicarea unei greutăți necesită mult mai multă energie decât mutarea unei greutăți pe o suprafață plană. Viteza trebuie sacrificată pentru a câștiga cuplu.

Prin urmare, cel mai bine este să utilizați o cutie de viteze cu raport ridicat și un motor puternic de curent continuu sau un actuator liniar de curent continuu. Luați în considerare utilizarea unui sistem (fie roți melcate, fie cleme). Acest lucru previne căderea sarcinii în cazul pierderii controlului.

Servomotoare

Folosit când intervalul este limitat la 180 de grade și cuplul nu este semnificativ. Servomotorul R/C este ideal pentru astfel de sarcini. Servomotoarele sunt disponibile în diferite cupluri și dimensiuni și oferă feedback privind poziția unghiulară.

Este mai bine să folosiți un potențiometru și niște codificatoare optice specializate. Servo R/C sunt folosite din ce în ce mai mult pentru a construi roboți mici.

Motoare pas cu pas

Folosit atunci când unghiul de rotație trebuie să fie foarte precis. Motoarele pas cu pas robot combinate cu un controler de motor pas cu pas pot produce o mișcare unghiulară foarte precisă. Servomotoarele sunt uneori preferate, deoarece asigură rotație continuă. Cu toate acestea, unele servomotoare digitale profesionale folosesc codificatoare optice. Drept urmare, au o precizie foarte mare.

Acționări liniare

Actuatoarele liniare sunt cele mai bune pentru mutarea obiectelor și aranjarea lor în linie dreaptă. Ele vin într-o varietate de dimensiuni și configurații. Pentru o mișcare foarte rapidă, pot fi luate în considerare pneumatice sau solenoizi. Pentru puteri foarte mari, pot fi luate în considerare antrenările liniare DC și, de asemenea, hidraulice.

Exemplu practic

• În Lecția 1, am definit scopul proiectului nostru de a înțelege ce tip de robot mobil poate fi construit cu un buget mic.
• În Lecția 2 am decis că ne dorim o platformă mică pe roți. Mai întâi, să determinăm tipul de unitate care va fi necesar pentru a construi robotul.

Pentru a face acest lucru, trebuie să răspundeți cinci întrebări:

1. Această unitate este folosită pentru a deplasa robotul cu roți?
   Da. Ai nevoie de un motorreductor cu control prin frânare pe o parte. Aceasta înseamnă că fiecare roată va trebui să fie echipată cu propriul motor.
2. Motoarele robotizate sunt folosite pentru a ridica sau a întoarce greutăți mari?
   Nu, o platformă desktop nu trebuie să fie grea.
3. Gama de mișcare este limitată la 180 de grade?
   Nu, roțile pot continua să se întoarcă.
4. Unghiul trebuie să fie precis?
   Nu, robotul nostru nu necesită feedback pozițional.
5. Este o linie dreaptă?
   Nu, din moment ce dorim ca robotul să se rotească și să se miște în toate direcțiile.

Toate aceste cerințe sunt îndeplinite motor mare din setul de bază LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Specificații motoare mari EV3

Motorul (acționare, motor) este o parte integrantă a robotului, care conduce nu numai robotul, ci și diverse mecanisme sau manipulatoare cu care este echipat robotul. Într-un cuvânt, motorul robotului transformă energia electrică în energie de mișcare.

În robotică, sunt în principal trei tipul motorului: Motoare de curent continuu, motoare pas cu pas, servomotoare si tip RC (cu control radio).

Ce dimensiune, ce motor de putere ar trebui folosit?

Ce tip de motor este mai potrivit pentru un anumit robot? Totul depinde de designul ales al robotului. Pentru un robot cu mișcare pe roți, puteți alege mai multe tipuri de design:

• două roți motrice sunt conectate la un motor, iar celelalte două roți se învârt. Într-un cuvânt, robotul arată ca o mașină;
• două roți motrice sunt conectate la un motor și o roată ca volan;
• două roți sunt conectate la două motoare diferite și încă două roți ca roți de echilibrare ( cea mai comună variantă), se dovedește un rezervor pe roți.

Dacă clasificăm puterea motorului, obținem următoarele:

• motoare de curent continuu cu angrenaje. Cel mai puternic motor, poate fi folosit în aproape orice tip de robot;
• servomotoare. Folosit la roboții care cântăresc mai puțin de 2,5 kg. și în tipuri de roboți cu picioare;
• motoare pas cu pas. Poate cel mai slab, folosit la roboții mici și ușoare.

Să ne uităm la pozitiv și laturi negative fiecare dintre motoare.

motoare de curent continuu

Avantaje:
- Disponibil usor pe piata
- Gamă largă de motoare
- Cel mai puternic
- Usor de conectat
- Nu este necesar pentru roboții mari

Dezavantaje:
- Prea repede, am nevoie de o cutie de viteze
- consum mare
- Roțile sunt dificil de montat
- Mai scump

Cel mai bun pentru:
- roboți mari

Servomotoare:

Avantaje:
- Cutie de viteze incorporata
- Diversitate
- nu atât de scump
- Putere potrivită pentru roboții mici
- Ușor de instalat
— Consum mediu de energie

Dezavantaje:
- Nu este potrivit pentru roboți mari
- Viteză destul de mică

Cel mai bun pentru:
- roboți mici
- Roboți cu picioare

Acum doi ani, când am început prima dată multicoptere, a trebuit să fac un mic . Deoarece quadrocopterul a fost conceput ca un pur autonom, tot ceea ce a fost necesar de la această telecomandă a fost să controleze drona în timpul testării și reglajului.

În principiu, telecomanda a făcut față cu succes tuturor sarcinilor care i-au fost atribuite. . Dar au existat și deficiențe serioase.

1. Bateriile nu intrau în carcasă, așa că a trebuit să le lipesc pe carcasă cu bandă electrică :)
2. Setarea parametrilor a fost efectuată pe patru potențiometre, care s-au dovedit a fi foarte sensibile la temperatură. În cameră ai stabilit niște valori, ieși în stradă - și sunt deja diferite, au plecat.
3. Arduino Nano pe care l-am folosit la telecomandă are 8 intrări analogice în total. Patru au fost ocupate de potențiometre de reglare. Un potențiometru a servit drept gaz. Două intrări au fost conectate la un joystick. O singură ieșire a rămas liberă și sunt mult mai mulți parametri de configurat.
4. Singurul joystick nu era deloc un pilot. Controlul gazului cu un potențiometru a fost, de asemenea, destul de deprimant.
5. Și telecomanda nu a scos niciun sunet, ceea ce uneori este extrem de util.

Pentru a elimina toate aceste neajunsuri, am decis sa refac radical telecomanda. Atât hardware cât și software. Iată ce am vrut să fac:

• Faceți o carcasă mare, astfel încât să puteți introduce tot ce doriți în ea acum (inclusiv bateriile) și ceea ce doriți mai târziu.
• Rezolvați cumva problema cu setările, nu prin creșterea numărului de potențiometre. În plus, adăugați posibilitatea de a salva parametrii în consolă.
• Faceți două joystick-uri, ca pe consolele pilot normale. Ei bine, pune joystick-urile în sine ortodoxe.

Cladire nouă

Ideea este extrem de simplă și de eficientă. Tăiem două plăci din plexiglas sau alt material subțire și le conectăm cu suporturi. Întregul conținut al carcasei este atașat fie de placa superioară, fie de jos.

Controale și meniuri

Pentru a controla o grămadă de parametri, fie trebuie să plasați o grămadă de potențiometre pe telecomandă și să adăugați un ADC, fie să faceți toate setările prin meniu. După cum am spus, setarea cu potențiometre nu este întotdeauna o idee buna dar nici nu trebuie abandonat. Așadar, s-a decis să se lase patru potențiometre în telecomandă și să se adauge un meniu cu drepturi depline.

Butoanele sunt de obicei folosite pentru a naviga prin meniu și pentru a modifica parametrii. Stânga, dreapta, sus, jos. Dar am vrut să folosesc un encoder în loc de butoane. Am primit această idee de la un controler de imprimantă 3D.

Desigur, din cauza adăugării meniului, codul telecomenzii s-a umflat de mai multe ori. Pentru început, am adăugat doar trei elemente de meniu: „Telemetrie”, „Parametri” și „Store parametri”. Prima fereastră afișează până la opt indicatori diferiți. Până acum folosesc doar trei: puterea bateriei, busola și altitudinea.

În a doua fereastră sunt disponibili șase parametri: coeficienții controlerului PID pentru axele X/Y,Z și unghiurile de corecție ale accelerometrului.

Al treilea element vă permite să salvați parametrii în EEPROM.

Joystick-uri

Nu m-am gândit mult timp la alegerea joystick-urilor pilot. S-a întâmplat că am primit primul joystick Turnigy 9XR de la un coleg din afacerea cu quadcopter - Alexander Vasilyev, proprietarul site-ului notoriu alex-exe.ru. Al doilea l-am comandat direct de la Hobbyking.

Primul joystick a fost încărcat cu arc în ambele coordonate - pentru a controla rotirea și înclinarea. Pe al doilea l-am luat la fel, apoi pentru a-l converti într-un joystick pentru a controla împingerea și rotația.

Nutriție

În vechea telecomandă am folosit un regulator de tensiune simplu LM7805 alimentat cu o grămadă de 8 baterii AA. O variantă teribil de ineficientă, în care 7 volți au mers pentru a încălzi regulatorul. 8 baterii - pentru ca exista doar un astfel de compartiment la indemana, si LM7805 - pentru ca la acea vreme aceasta optiune mi se parea cea mai simpla, si cel mai important, cea mai rapida.

Acum am decis să fiu mai înțelept și să pun un regulator destul de eficient pe LM2596S. Și în loc de 8 baterii AA am instalat un compartiment pentru două baterii LiIon 18650.

Rezultat

Punând totul împreună, am obținut un astfel de dispozitiv. Vedere din interior.

Iată-l cu capacul închis.

Nu există suficiente capac pe un potențiometru și capace pe joystick-uri.

În sfârșit, un videoclip despre cum sunt configurate setările prin meniu.

Rezultat

Din punct de vedere fizic, telecomanda este asamblată. Acum sunt angajat în faptul că finalizez codul telecomenzii și al quadrocopterului pentru a restabili fosta lor prietenie puternică.

În timpul instalării telecomenzii, au fost identificate deficiențe. În primul rând, colțurile inferioare ale telecomenzii se sprijină pe mâinile mele: (Probabil că voi reproiecta puțin plăcile, voi netezi colțurile. În al doilea rând, nici un afișaj 16x4 nu este suficient pentru o ieșire frumoasă de telemetrie - trebuie să reduc numele de parametrii la două litere.În următoarea versiune a dispozitivului, voi instala un afișaj cu puncte, sau imediat matrice TFT.

Cum să alegi motoarele potrivite pentru robotul cu roți? Nu este ușor să răspunzi la această întrebare exact la începutul designului robotului. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți greutatea robotului, iar acesta nu a fost încă construit. Dar, specificații iar dimensiunea motoarelor afectează semnificativ parametrii finali ai robotului mobil. Pentru a obține informații complete, este necesar să se țină cont de cuplu, viteză și putere. Pentru un robot cu roți, este, de asemenea, necesar să selectați diametrul roților și să determinați raportul de transmisie corect pentru calcularea vitezei de mișcare a acestuia.

Cuplu

Cuplul motorului este forța cu care acționează asupra unei axe în rotație. Pentru ca robotul să se miște, este necesar ca această forță să depășească greutatea robotului (exprimată în N/m).

Unii folosesc în locul conceptului cuplu, termen cuplu. În esență, sunt una și aceeași. Ambele sunt momente, doar în inginerie, cuplul este sarcina pe roată, iar cuplul este sarcina în știința ingineriei numită „Rezistența materialelor”.

Luați în considerare un model idealizat extrem de simplificat al unui robot cu roți.

În cazul nostru, greutatea robotului este 1 kg, și dorim să atingem viteza maximă de mișcare a acestuia 1 m/s cu raza roții egală cu 20 mm.

Când vă deplasați în linie dreaptă pe o distanță 1m, calculați accelerația necesară pentru a atinge viteza în 1 m/s.

unde este distanța parcursă de robot, este viteza sa inițială (începem de la un loc, prin urmare),

unde este viteza robotului, este accelerația acestuia.

Înlocuind valorile acceptate în modelul nostru, obținem

m/s 2

Cuplul necesar pentru a deplasa robotul și a obține accelerația necesară pentru a-și atinge viteza maximă se calculează după cum urmează:

Când este momentul de inerție și este accelerația unghiulară, obținem

Aici m/s 2— accelerația gravitațională (rotunjită la 10), — raza roții, — masa întregului robot

Înlocuind valorile, obținem

mN m

Pentru a converti valoarea exprimată în N m în kg cm, este necesar să luați în considerare faptul că 1N \u003d 0,102 kg și 1 m \u003d 100 cm. Prin urmare, 50 mN m \u003d 50 0,102: 1000 * 100 \u003d 0,51 kg cm.

Cuplul rezultat este distribuit între cele două motoare ale robotului și mai trebuie împărțit la raportul de transmisie al angrenajului utilizat (puteți citi mai multe despre angrenaje).

Putere

Pentru a calcula puterea maximă a motoarelor, avem nevoie de turația, care este exprimată în rotații pe minut

(rpm) =

sau în radiani pe secundă

(rad/s) =

prin frecvența circulară

Înlocuind raza roții, obținem

rad/s

rpm.

Puterea motorului este proporțională cu cuplul și viteza:

Înlocuind aici formulele pentru cuplu și frecvență, obținem:

Folosind valorile proprii, obținem

Din nou, am obținut puterea totală pentru toate motoarele, în cazul nostru există două motoare, așa că trebuie să împărțim rezultatul la două și, ca și în cazul calculului cuplului, dacă se folosesc trepte, împărțim la raportul de transmisie.