Os robôs realizam tarefas específicas pré-planejadas, como trabalho em linha de montagem, assistência cirúrgica, coleta/recuperação de depósitos e até mesmo tarefas perigosas, como remoção de minas terrestres. Os robôs de hoje são capazes de lidar não apenas com tarefas altamente repetitivas, mas também com funções complexas que exigem flexibilidade na direção e no movimento. À medida que a tecnologia avança, a velocidade e a destreza aumentam e os custos diminuem, os robôs serão gradualmente amplamente adotados. A vantagem de custo de ser menor do que a mão de obra também nos dá um vislumbre da indústria de robótica. Além disso, os avanços na visão de máquina, poder de computação e rede também impulsionarão a popularização de aplicações de robôs, e essas máquinas de alto desempenho
A realização do humano se deve aos seguintes aspectos do aprimoramento:
1. Sensores complexos
2. Poder de computação e algoritmos que permitem tomada de decisão e movimentação em tempo real.
3. Motores que desenvolvem potência mecânica de forma rápida e precisa para realizar tarefas complexas!
Ao selecionar especificamente um tipo e modelo de motor, o projetista deve considerar três fatores principais.
1. A velocidade mínima e máxima (e aceleração) do motor.
2. O torque máximo que o motor pode fornecer e a relação entre as curvas de torque e velocidade.
3. a precisão e repetibilidade da operação do motor (sem sensores e controle de malha fechada); é claro, há muitos outros fatores importantes a serem considerados ao selecionar um motor, como tamanho, peso e custo. Para quase todos os atuadores robóticos de pequeno a médio porte, a escolha de motores de acionamento geralmente é entre motores CC com escovas, motores CC sem escovas (BLDC) e motores de passo. (No entanto, em alguns casos, prensas hidráulicas vs. pneumáticas são a melhor escolha.)
Motores DC escovados são a mais antiga tecnologia de motor DC, a mais simples e menos dispendiosa. A rotação do rotor do motor comuta (comuta) o campo magnético dos enrolamentos ao redor do rotor devido ao contato entre as escovas e o rotor. A velocidade do motor é uma função da tensão aplicada, então os requisitos de acionamento são modestos, mas gerenciar o torque é difícil. Também há problemas de confiabilidade ao operar devido a fatores como escovas se desgastando, precisando ser limpas e mantidas, e potencialmente sendo uma fonte de ruído eletrônico (interferência eletromagnética). Como resultado desses problemas, os motores DC escovados são, na maioria das vezes, a opção menos atraente para o projeto de robôs.
Os motores DC sem escovas surgiram na década de 1860 e se beneficiaram de dois desenvolvimentos: o surgimento de ímãs permanentes robustos, pequenos e de baixo custo; e o surgimento de pequenos e eficientes interruptores eletrônicos (geralmente MOSFETs) para alternar o fluxo de corrente para os enrolamentos. "A comutação eletrônica" substitui a comutação mecânica do motor com escovas para controlar a comutação do campo magnético, a interação entre a bobina de comutação fixa ao redor e os ímãs no núcleo giratório substitui a comutação mecânica do motor com escovas, ou seja, utiliza a interação entre o campo magnético e o campo elétrico. Ao alterar a frequência de comutação do MOFSET, a velocidade do motor pode ser controlada. Além disso, seu controlador de motor pode controlar melhor o desempenho do motor em comparação com motores com escovas.
Melhor ainda, algoritmos avançados como algoritmos de correção PID (Proporcional-Integral-Diferencial) ou algoritmos de controle FOC (Controle Orientado a Campo, às vezes chamado de Controle Vetorial) podem ser solidificados no controlador do motor. Isso permite que a operação ideal do motor seja correspondida às cargas reais e variações de carga, resultando em desempenho do motor mais robusto e preciso. Por exemplo, algoritmos/programas de controle do motor podem levar em conta fatores relevantes como a inércia do rotor e permitir que o acionamento do motor se adapte e reduza gradualmente os erros devido a fatores mecânicos. Esses algoritmos tornam possível controlar com precisão a aceleração e o torque.
Motores sem escovas (BLDC) exigem circuitos de controle mais complexos, mas podem apresentar melhor desempenho do que motores com escovas. Normalmente, os motores BLDC precisam ser equipados com um sensor de feedback de posição, como um sensor de efeito Hall, um codificador óptico ou um dispositivo de detecção de potencial reverso.
Outro tipo de motor BLDC comumente usado em robôs é o motor de passo, onde um eletroímã de comutação é usado, localizado próximo ao núcleo central do anel de ímã permanente. Os motores de passo não "gira" de forma convencional; em vez disso, eles aumentam gradualmente sua velocidade com a ajuda de um eixo em rotação constante, permitindo assim um certo ângulo de rotação ou rotação contínua. Os motores de passo têm controle de movimento repetível: eles podem ser retornados à posição anterior quando necessário.
Os ângulos de passo variam de 1,8 grau (200 passos/revolução) a 30 graus (12 passos/revolução). O ângulo de passo ou número de passos depende do número de ímãs permanentes que o motor tem, mas valores fora dessa faixa também são possíveis.
Com motores de passo, se a energia for aplicada, mas nenhum degrau for apontado, eles permanecerão em sua posição original; motores de passo fornecem alto torque em baixas rotações. A maneira mais direta de fazer um motor de passo girar é energizar e desenergizar o solenoide de forma ordenada, mas isso pode introduzir trepidação ou vibração. Motores sem escova e motores de passo têm áreas de aplicação parcialmente sobrepostas. Motores de passo são mais adequados para aplicações que exigem movimentos precisos de entrada e saída (como pegar e colocar) em vez de longos períodos de rotação sustentada, bem como para aplicações menores que não exigem alto torque ou velocidade do motor. Além disso, motores de passo têm requisitos de eficiência energética mais baixos do que motores CC sem escova. Além dos motores listados aqui, há muitos outros tipos disponíveis. As famílias de motores são numerosas e complexas, com muitas subdivisões. Por exemplo, o motor síncrono de ímã permanente (PMSM) é uma combinação de um motor CC sem escova (com relação ao rotor) e um motor de indução CA (com relação à estrutura do estator). É caracterizado por alta eficiência energética, alta densidade relativa por unidade de pequeno volume, relação torque-peso, tempo de resposta rápido e relativa facilidade de controle, mas também é relativamente caro.
O sistema de movimento do robô envolve mais do que apenas motores; ele inclui três módulos funcionais principais.
1.Controlador em tempo real, manifestado nas três formas a seguir.
Processadores computacionais rápidos para uso geral, executando firmware de controle de movimento.
FPGAs orientados a DSP para aplicações de controle.
Circuitos IC controladores especializados com fiação e algoritmos integrados.
2. Uma ou mais camadas de driver em cascata para receber sinais de baixo nível das saídas do controlador e gerar a alta tensão/corrente necessária para ligar/desligar a eletrônica de controle.
3.MOSFET (ou outros dispositivos de comutação, como IGBT ou transistores bipolares), que controla o fluxo de corrente para os enrolamentos específicos do motor
A seleção do MOSFET depende principalmente do motor e dos enrolamentos do tamanho de corrente e tensão necessários. O modelo do MOSFET deve ser determinado para selecionar o driver após a seleção do driver do MOSFET pela classificação do MOSFET: às vezes pode exigir uma série de drivers de repulsão ascendente, a decisão específica para determinar o driver. Às vezes, uma série de drivers de reforço pode ser necessária, dependendo do tamanho dos MOSFETs.
4. Problemas que podem ser encontrados ao selecionar um controlador
A seleção do modelo do controlador também é muito estratégica e requer que uma decisão seja tomada antes de selecionar um fornecedor e modelo específicos. Há muitas compensações ao escolher se deve usar um processador de uso geral apenas para controle de motor, um FPGA com poder computacional local ou um circuito IC de controle especializado (geralmente de um fornecedor específico de controle de motor). Os designers precisam considerar fatores como.
Qual é a complexidade do algoritmo de controle que você precisa e quantas portas I/0?
Quem fornecerá o algoritmo de controle e o código: o fornecedor do CI, um parceiro terceirizado ou um desenvolvedor terceirizado não relacionado? Como eles verificarão e validarão o desempenho do motor e sua aplicação?
Quanta capacidade de programação do usuário você precisa? Mesmo controladores dedicados e não programáveis exigirão que o usuário selecione o tipo de algoritmo, modo de controle de malha fechada (posição, velocidade ou aceleração) e precisará definir uma série de parâmetros operacionais. O motor e a aplicação têm propriedades exclusivas para definir? Se a resposta for sim, então seria melhor escolher I programável. Por outro lado, se não houver necessidade de modificar os algoritmos, um IC dedicado com algoritmos solidificados e com fiação fixa é preferível a um IC totalmente programável. O controlador precisa suportar vários tipos de motor? Mesmo que seja do mesmo tipo, o controlador precisa suportar apenas um tamanho de motor naquele modelo ou uma variedade de tamanhos?
Qual nível de suporte técnico o fornecedor fornece? Qual experiência prática em desenvolvimento de motores eles têm? Eles fornecerão projetos de referência específicos que foram construídos e validados, incluindo circuitos de interface entre o CI de controle e o driver MOSFET?
Há alguma questão regulatória a ser considerada? Por exemplo, avaliações de eficiência energética autorizadas
(muitas aplicações de motores agora devem atender a vários requisitos ambientais "verdes"). Se sim, o fornecedor entende essas questões e seus componentes e algoritmos atendem a esses requisitos?
5. Os kits de desenvolvimento demonstram o desempenho do controlador e da interface
Para muitos engenheiros, reunir todas as peças - controladores, drivers, MOSFETs, etc. com algoritmos solidificados ou separados - é uma tarefa multidisciplinar, que eles não querem "começar do zero". Por esse motivo, muitos fornecedores oferecem placas de avaliação ou até mesmo kits completos com algoritmos de controlador de amostra, drivers e MOSFETs. Por exemplo, o kit PMSM trifásico sem sensor Freescale MTRCKTSPNZVM128 usa tecnologia de controle de motor sem sensor para acionar um motor BLDC ou PMSM trifásico e é projetado para prototipagem rápida e avaliação usando potenciais inversos suportados pelo módulo ADC integrado com o auxílio de um microcontrolador. Além disso, este kit (apresentando o microcontrolador MC9S12ZVML12) também pode ser configurado para avaliação baseada em sensor de operação usando sensores Hall ou resolvers. O futuro da robótica também é muito promissor, pois os avanços na tecnologia, incluindo atuação de precisão por meio de controle e detecção de motor aprimorados, criarão novas oportunidades. Revoluções nas principais áreas de detecção, controle e motores continuarão a influenciar mudanças na robótica.