Развитие воплощенного интеллекта подталкивает конструкцию манипуляторов к совершенно новой парадигме. Они больше не являются просто инструментами для выполнения заранее запрограммированных траекторий; вместо этого они становятся продолжением "проприоцептивного тела" интеллектуального агента в физическом мире — способными к активному исследованию, ловкому манипулированию и безопасному взаимодействию. Этот фундаментальный сдвиг в целях предъявляет беспрецедентно строгие требования к базовой аппаратной архитектуре, логике управления и программной экосистеме манипуляторов. Так какие же двигатели суставов понадобятся манипуляторам будущего?

Принципы работы манипуляторов и двигателей

С точки зрения принципов работы манипуляторы зависят от согласованной работы двигателей, драйверов и высокоточных датчиков. Двигатели служат источником энергии, обеспечивая движущую силу. Драйверы отвечают за точное регулирование скорости и крутящего момента двигателя, чтобы гарантировать, что движения манипулятора достигают желаемой точности. Датчики постоянно отслеживают такую информацию, как положение сустава и приложенная сила; как только обнаруживается отклонение, обратная связь быстро отправляется в систему управления для внесения корректировок.
Например, когда манипулятору нужно захватить хрупкий объект, датчики обнаруживают приложенную силу и немедленно передают эту информацию в систему управления, позволяя манипулятору прилагать силу осторожно и избегать повреждения объекта.

Ключевые факторы выбора двигателей суставов для манипуляторов

Двигатели суставов (в данной статье рассматриваются в основном вращательные типы), как правило, объединяют двигатель, драйверную плату, редуктор, энкодер и тормоз.

Тормоз

Функция модуля тормоза заключается в поддержании позы при потере питания или неисправностях, предотвращая падение или разрушение, которое может привести к опасности или повреждению (особенно для вертикальных суставов). Проще говоря, он определяет, упадет ли манипулятор под действием силы тяжести при отключении питания. Для промышленных манипуляторов тормоза незаменимы — никто не хочет, чтобы массивный манипулятор на заводе рухнул вниз во время отключения электроэнергии. Однако в эпоху воплощенного интеллекта легкие манипуляторы имеют относительно небольшую массу и поэтому часто не оснащаются тормозами в двигателях суставов.

Редуктор

Обычно используются три типа редукторов: гармонические, RV и планетарные. Для легких манипуляторов чаще всего применяются гармонические или планетарные редукторы. Гармонические редукторы могут обеспечить высокое передаточное отношение в одной ступени, но они более дорогие. Планетарные редукторы (особенно стандартные типы) обычно имеют значительно больший люфт, чем гармонические.

Люфт можно сравнить с шатанием ослабленной дверной петли или провисанием велосипедной цепи, когда нажатие на педаль не сразу приводит в движение колесо. В точной механике даже такая небольшая слабина напрямую влияет на точность позиционирования.

Энкодер

Энкодеры в основном используются для точного определения углов поворота суставов. Ключевым параметром является разрешение энкодера, например, 14-битное разрешение. Это означает, что один полный оборот представлен 2¹⁴ = 16 384 импульсами, что соответствует разрешению позиционирования 360 / 16 384 = 0,02197 градуса.

Для манипуляторов абсолютные энкодеры необходимы: даже после потери питания система все равно знает текущий угол сустава. В противном случае манипулятору при каждом включении питания потребовалось бы возвращаться в нулевое положение.

Большинство двигателей суставов используют один энкодер на стороне двигателя, что позволяет точно контролировать положение и скорость ротора двигателя. Однако такая конфигурация не может обнаружить ошибки, вносимые передаточной цепью между двигателем и нагрузкой (такие как люфт, упругая деформация, крутильные колебания, тепловое расширение или износ редукторов, муфт, ремней или ходовых винтов).

Для повышения точности измерения некоторые двигатели суставов используют схему с двумя энкодерами: один на стороне ротора двигателя, а другой на выходном валу после редуктора. Объединяя данные с обоих энкодеров, система может улучшить абсолютную точность позиционирования и повторяемость, даже при наличии люфта, податливости или износа в передаточной цепи.

Двигатели с полым валом

Двигатель с полым валом имеет центральное сквозное отверстие вдоль своей оси, в основном для удобства прокладки кабелей. Провода могут проходить прямо через центр двигателя, избегая внешнего расположения кабелей. Однако двигатели с полым валом, как правило, дороже.

Как двигатели суставов управляют манипулятором?

Как наиболее непосредственные исполнительные механизмы в манипуляторе, все управление в конечном итоге сводится к управлению суставами.

Наиболее распространенный подход — трехконтурная структура управления двигателем:

Контур положения: Вход = целевое положение; обратная связь = фактическое положение; выход = желаемая скорость (на основе ошибки положения).

Контур скорости: Вход = желаемая скорость; обратная связь = фактическая скорость; выход = желаемый ток (на основе ошибки скорости).

Контур тока: Вход = желаемый ток; обратная связь = фактический ток; выход = скорректированное напряжение драйвера (на основе ошибки тока), напрямую управляющее моментом (ток примерно линейно связан с моментом). 

Режим управления MIT

Режим MIT обеспечивает смешанное управление моментом, положением и скоростью. Его структурная схема управления показана.

Протоколы связи

Поскольку роботы обычно имеют несколько суставов и требуют высокочастотного управления, протоколы связи обычно используют CAN-шину или EtherCAT. Максимальная скорость передачи CAN составляет 1 Мбит/с. Для достижения замкнутого управления выше 1 кГц требуется EtherCAT с максимальными скоростями до 100 Мбит/с.

Как правило, для 6-осевой системы двигателей суставов, использующей CAN-шину на 1 Мбит/с, максимально достижимая частота управления составляет около 300–500 Гц, что достаточно для коллаборативных роботов. Однако для полного использования силового управления на частоте 1 кГц требуется несколько каналов CAN, каждый из которых управляет тремя двигателями (как часто встречается в конструкциях четвероногих роботов).

Выбор двигателей суставов для роботов — это комплексный процесс, балансирующий между моментом, скоростью, точностью, размером, стоимостью и надежностью. От коллекторных до бесколлекторных двигателей, от шаговых до серводвигателей и от дискретных конструкций до высокоинтегрированных модулей суставов, постоянное технологическое развитие продолжает улучшать производительность роботов.