РОБОТОТЕХНИКА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Использование электродвигателей для механического при­ведения в движение конечностей робота очень привлекательно. Это объясняется наличием большого выбора соответствующих устройств и гибких методов управления, но, наверно, главным образом тем, что электрическая энергия, необходимая для за­рядки силовых аккумуляторных батарей, почти повсеместно рас­пространена. Даже в робототехнических устройствах, предназ­наченных для космоса, желательно использовать электрические исполнительные механизмы, поскольку электрические аккуму­ляторы могут подзаряжаться от солнечных батарей.

Электродвигатели постоянного тока с возбуждением от по­стоянных магнитов весьма удобны для электропривода. И не только потому, что коэффициент полезного действия этих двига­телей достигает 60% по сравнению с 40% для двигателей с элект­ромагнитным возбуждением, но также и потому, что они дешевле, бесшумнее, меньше по габаритам и легче, чем машины с обмоткой возбуждения. Особенно малой массой характеризуются современ­ные двигатели с металлокерамическими магнитами.

Однако скорость вращения двигателей, как правило, черес­чур велика для непосредственного использования в приводе, поэтому необходим редуктор, который не только понижает ско­рость до нужной величины, но и увеличивает выходное усилие или момент. К сожалению, коэффициент полезного действия зуб­чатой передачи мал и изменяется приблизительно от 80% при малых передаточных числах до 30% при больших, которые, по всей видимости, и будут необходимы для робототехнических при­менений.

Допустимая масса —наиболее важный фактор при выборе электродвигателя для робота. Максимальное значение коэффи­циента полезного действия будет получено при работе двигателя с мощностью, равной половине максимальной, что позволит со­кратить до минимума затраты в электрической энергии и потреб­ление тока от источника питания. Кроме того, преимущество большого по габаритам двигателя заключается в наличии большей величины пиковой мощности для использования в случае аварии и при других особых обстоятельствах. Однако при этом постоянно Должна переноситься дополнительная масса. Это большой недо­статок для некоторых конкретных применений роботов, например при их транспортировке космическим кораблем для работы в открытом космосе.

Для многих применений роботов такой весовой (или стои­мостный) «штраф» за использование двигателей увеличенных габа­ритов будет недопустим, поэтому отношение мощности к массе должно максимально увеличиваться за счет использования мало­габаритных двигателей, работающих с максимально возможной выходной мощностью. Компромисс между массой и к. п. д. необ­ходим почти для всех обычных применений робота, причем при исследовании этого вопроса не следует исключать из рассмотрения и массу батарей источника питания.

Некоторые двигатели для робототехнических применений дол­жны допускать эксплуатацию в условиях непрерывного режима короткого замыкания на протяжении значительных временных интервалов. Например, если робот должен сохранять зажимное усилие или удерживать какой-то груз, усилие прикладывается непрерывно, хотя движение отсутствует. Если обычный двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением стопорится при постоянном напряжении питания, то потребляемый пусковой. ток становится сравнительно большим из-за отсутствия противо-

э. д. с., которая обычно ограничивает его величину. Для предо­твращения чрезмерного потребления тока от источника питания можно использовать автоматические выключатели с максималь­ной токовой защитой, срабатывающие при достижении током не­которой заданной величины, а в некоторых случаях и механиче­ские концевые выключатели для отключения питания. Тем не менее современные методы управления двигателями позволяют осуществить режим непрерывного короткого замыкания при сохранении постоянного значения тока; имеется также хорошая перспектива использования методов, базирующихся на постоян­стве момента, а не скорости. Методы, основанные на постоянстве момента, широко используются применительно к подъемно­транспортному оборудованию. Разработанные в последнее время новые методы построения привода с постоянным моментом обе­спечивают, однако, гораздо более гибкое управление, чем те, которые реализуются в транспортных тележках, подъемных кра­нах и лифтах [42, 43].

В протезах обычно используется двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов на 12 В с начальным пусковым моментом 0,012 Н-м. Через зубчатую передачу и само - тормозящийся винт он обеспечивает силу сжатия пальцев в 25 Н. Для питания используются аккумуляторные батареи (15,6 В; 0,9 А-ч).

В тех случаях, когда в качестве источника механической энергии для робота используются вращающиеся электрические машины, обычно необходима значительная редукция скорости вращения. Последнее можно осуществить применением червячного редукционного механизма, дающего во многих случаях то допол­

нительное преимущество, что передача может быть сделена само - тормозящейся. Реакция от груза не будет тогда вызывать по­ворот вала двигателя после отключения питания, и благодаря этому предотвратите я дальнейшее движение груза.

Таким путем может быть сэкономлена энергия, поскольку отпадает необходимость в непрерывной ее подаче на приводной двигатель при стопорений, например, после того, как груз уже захвачен. Эта особенность наиболее важна в подвижных роботах, питание которых осуществляется от электрических аккумуля­торных батарей.

К сожалению, червячная передача обладает свойствами, не­желательными для ряда применений: большими механическими потерями, противоположными направлениями вращения вход­ного и выходного валов, значительной нагрузкой на отдельный зуб из-за того, что в каждый момент времени в зацеплении на­ходится малое число зубьев. Все эти недостатки могут быть исклю­чены введением простейшего варианта двухступенчатой линей­ной планетарной передачи, которая может дать передаточное отношение, скажем, 661 : 1, причем входной и выходной валы располагаются на одной линии и вращаются в одном направ­лении.

В некоторых случаях весьма привлекательно использование в приводе линейного индукционного двигателя при условии, что имеется или может быть легко обеспечено многофазное питание. Двигатель с печатным якорем [3, 20] представляет собой усовер­шенствованный вариант более раннего диского двигателя Барлоу для работы на постоянном токе. У этого двигателя большое от­ношение вращающего момента к моменту инерции, так что механическая постоянная времени может достигать 30 мс, в то время как в роторе нет стали и поэтому отсутствует возможность его магнитного насыщения. Это устройство представляется много­обещающим для применения в роботах. Кроме того, оно обеспе­чивает получение малых скоростей без механической редукции.

Дэвис [44] полагает, что одно из самых высоких отношений мощности к массе и мощности к объему дает американский дви­гатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов типа «Глоб» (25 Вт, 12 В). Длина двигателя 80 мм, диаметр 40 мм, масса 0,3 кг.

Несмотря на то что к настоящему времени разработаны эле­ктрические муфты и тормоза различных типов, значительная масса и дополнительное потребление электроэнергии вынуждают счи­тать нежелательным их использование в подвижных устройствах. Тем не менее в некоторых случаях целесообразно рассматривать возможность использования механического распределения энер­гии от центрального электрического или иного двигателя при помощи муфт. И действительно, в последнее время было разра­ботано большое число разнообразных тормозов и муфт, например Для использования в счетных машинах.

Несколько удивительным кажется то, что в последнее время стали уделять много внимания электромагнитному тормозу, построенному на принципе возникновения вихревых токов, хотя он в принципе не способен к работе как раз при подходе к нулевой скорости. Тормозам других видов, например гистерезисному тор­мозу, который лишен указанного недостатка, тем не менее уде­лялось гораздо меньше внимания.