เมคคาทรอนิกส์ กับความก้าวหน้า

ในปี 1768 Pierre Jaquet-Droz ช่างทำนาฬิกา Swiss ได้ตัดสินใจว่า เขาต้องการหาวิธีเพิ่มยอดขาย ด้วยการร่วมมือกับ Jean-Frédéric Leschot ลูกชายของเขาที่เป็นนักดนตรี พวกเขาได้สร้างหุ่นยนต์ที่มีกลไกซับซ้อนขึ้นมาสามตัว หุ่นยนต์ตัวที่ซับซ้อนมากที่สุดสามารถควบคุมได้ด้วยล้อเพื่อให้ทำการเขียนตัวอักษรออกมาตามการตั้งค่าของลูกเบี้ยว 40 ลูก

ด้วยเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 18 Jaquet-Droz และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องทำงานเกี่ยวกับเฟืองกล คันโยก และรอกเท่านั้น อย่างไรก็ตาม พวกเขายังสามารถสร้างออโตมาตาซึ่งเป็นที่น่าหลงใหลอย่างต่อเนื่องในหมู่ผู้มาเยือนพิพิธภัณฑ์ใน Neuchâtel ที่มีการจัดแสดง ผู้สร้างหุ่นยนต์ในปัจจุบันมีทางเลือกเพิ่มขึ้นมากมาย อุปกรณ์ต่างๆ เช่น

สเต็ปเปอร์มอเตอร์อาจดูเหมือนเป็นทางเลือกที่ชัดเจนสำหรับการสร้างการเคลื่อนไหวให้เป็นระบบ แต่บ่อยครั้ง ก็มักมีกรณีที่เทคโนโลยีอื่นให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด แม้แต่วัสดุที่มีลักษณะเหมือนกับวุ้นก็สามารถทำหน้าที่เป็นแรงผลักในการเคลื่อนที่ตามที่มีการตั้งโปรแกรมไว้ได้

ในการใช้งานในระบบหุ่นยนต์และเมคคาทรอนิกส์ที่คล้ายคลึงกัน มอเตอร์สเต็ปเปอร์ยังคงเป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยม การเคลื่อนที่ไม่จำเป็นต้องเป็นลักษณะการหมุน สกรูนำและส่วนประกอบเชิงกลที่คล้ายคลึงกัน เช่น ส่วนประกอบที่ผลิตโดย Igus and Thomson Linear มีความพร้อมที่จะแปลงการหมุนของมอเตอร์ให้กลายเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น บ่อยครั้ง มอเตอร์ต่างๆ เช่น Bipolar Disc Magnet Stepper ของ Faulhaber มักจะมาพร้อมกับสกรูนำในตัว

สเต็ปเปอร์มอเตอร์สร้างขึ้นบนมอเตอร์ DC พื้นฐาน ซึ่งจะหมุนเท่าที่มีกระแสไฟเดินอยู่ แต่ก็จะทำให้เคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งการหมุนที่ตั้งไว้ก่อนที่จะหยุดได้ง่ายขึ้น วิธีนี้รองรับการใช้งานที่ต้องการการกำหนดตำแหน่งอย่างแม่นยำและมีการควบคุมความเร็ว

สเต็ปเปอร์มอเตอร์จะติดตั้งสร้างขึ้นที่บริเวณรอบๆ สเตเตอร์ชนิดอยู่กับที่ซึ่งมีขดคอยล์แยกต่างหากอยู่จำนวนหนึ่ง ลักษณะเช่นนี้เป็นการควบคุมตำแหน่งของโรเตอร์ที่ใช้วัสดุแม่เหล็กถาวรหรือใช้ขดคอยล์ของตนเองในการสร้างแม่เหล็กเมื่อมีการใช้กระแสไฟ ขดคอยล์ที่ติดตั้งตายตัวเหล่านี้นำมาใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแบบไดนามิก ตั้งแต่สองตำแหน่งขึ้นไปบริเวณรอบๆ สเตเตอร์

เมื่อเปิดใช้งานมอเตอร์ โรเตอร์แม่เหล็กจะหมุนไปยังตำแหน่งที่เสถียรมากที่สุดที่สามารถพบได้ ในลักษณะที่สัมพันธ์กันกับสนามแม่เหล็กของตนเองที่เกิดจากคอยล์ที่ทำงานอยู่บนสเตเตอร์ เมื่อถึงเวลาที่จะหมุนไปยังตำแหน่งใหม่ คอยล์จะลดพลังงานลงและนำคอยล์อีกอันหนึ่งมาแทนที่ ซึ่งเป็นการบังคับให้โรเตอร์หมุนอีกครั้ง สเต็ปเปอร์มอเตอร์ อย่างเช่น สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไฮบริดจาก RS Pro จะมีมุมขั้นแยกต่างหากในขนาดเล็กเท่ากับ 0.9 องศา อย่างไรก็ตาม ความเที่ยงตรงด้านการระบุตำแหน่งของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ไม่ได้จำกัดอยู่ที่ขั้นแยกต่างหาก การใช้งานไมโครสเต็ปภายใต้ไมโครโปรเซสเซอร์หรือตัวควบคุมลอจิกทำให้สามารถสร้างระบบระบุตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูงพร้อมมุมสเต็ปที่มีประสิทธิภาพสูงสุดได้

แทนที่จะขจัดกระแสไฟทั้งหมดออกจากคอยล์ในขณะที่คอยล์อีกอันหนึ่งกำลังรับพลังงาน ภายใต้การทำงานของไมโครสเต็ป กระแสไฟจะถูกลดลงในคอยล์อันหนึ่งในขณะที่กระแสไฟในคอยล์อีกอันหนึ่งจะเพิ่มขึ้น การควบคุมสมดุลของกระแสไฟช่วยให้สามารถทำงานตามขั้นที่เล็กกว่าในช่วงระหว่างขั้นแบบเต็มซึ่งเกิดขึ้นอยู่แบบกายภาพได้

แม้ว่าสเต็ปเปอร์มอเตอร์จะมีการควบคุมการเคลื่อนที่ในลักษณะ near-continuous ผ่านทางไมโครสเต็ป แต่ก็ยังมีข้อเสียในกรณีที่ต้องการความเร็วสูง บ่อยครั้งมอเตอร์มักถูกใช้งานในระดับความเร็วต่ำเพื่อให้มีการควบคุมและแรงบิดในระดับสูงสุด อย่างไรก็ตามในบางผลิตภัณฑ์ เช่น สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบแม่เหล็กทรงกลมของ Portescap สามารถมีอัตราการเร่งที่สูงและมีอัตราการหมุนมากกว่า 10,000 rpm ได้

การออกแบบที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง เช่น มอเตอร์แบบไร้แปรง สามารถให้ทั้งแรงบิดที่สูงและการกำหนดตำแหน่งอย่างแม่นยำ ตามปกติแล้ว มอเตอร์ AC เคยถูกนำมาใช้งานเนื่องจากมีค่าใช้จ่ายที่ต่ำโดยเทียบเคียงและเหมาะสำหรับความแม่นยำในการเคลื่อนที่ไม่ใช่สิ่งสำคัญที่สุด ปัญหาเกี่ยวกับแรงบิดในระดับความเร็วต่ำนำไปสู่การพัฒนาความสามารถในการทำงานที่เพิ่มมากขึ้นเมื่อใช้กับมอเตอร์ AC ในปัจจุบัน เทคนิคฟิลด์ออเรียนเต็ดคอนโทรลมีการนำมาใช้อย่างกว้างขวางเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ AC และแรงบิดในระดับความเร็วต่ำ จากนั้น จึงค่อยๆ เปลี่ยนมอเตอร์ AC แบบไร้แปรงให้กลายเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งพลังงานและความแม่นยำที่สูง

ภายใต้ฟิลด์ออเรียนเต็ดคอนโทรล แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของสนามแม่เหล็กของมอเตอร์จะได้รับการปรับปรุงหลายครั้งต่อวินาทีเพื่อจะทำการประมาณความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า ความเร็ว และแรงบิดภายในมอเตอร์ อัลกอริธึมของส่วนควบคุมแบบวงปิดจะปรับแรงดันไฟฟ้าและระดับกระแสไฟแบบไดนามิกให้เข้ากับแต่ละโค้งภายในมอเตอร์ ไม่ใช่เฉพาะเพียงเพื่อเพิ่มแรงบิดให้สูงที่สุดเท่านั้น แต่ยังหมุนโรเตอร์ไปยังตำแหน่งเฉพาะอีกด้วย ข้อดีของเทคนิคการควบคุมเหล่านี้ก็คือ บ่อยครั้ง การประมาณเหล่านี้มักจะแม่นยำเพียงพอจนไม่มีความจำเป็นที่จะต้องใช้เซนเซอร์ระบุตำแหน่งเพิ่มเติม ซึ่งจะช่วยลดค่าใช้จ่ายโดยรวมของระบบ ข้อกำหนดที่สำคัญคือ จำเป็นต้องมีโปรเซสเซอร์สมรรถนะสูง เช่น โปรเซสเซอร์ที่ฝังด้วยอุปกรณ์อะนาล็อก ADSP-BF547 Blackfin นอกเหนือจากการใช้ตัวควบคุมระบบวงจรรวมบนชิป (SoC) เฉพาะ ที่ช่วยให้สามารถทำการควบคุมฟิลด์ออเรียนเต็ดคอนโทรลให้แก่ผู้ใช้ ตัวอย่าง ได้แก่ SoC ในตระกูล Toshiba TMPM370 ที่มีการผสานรวมแกนประมวลผล ARM Cortex-M3 กับหน่วยประมวลผลฟิลด์ออเรียนเต็ดคอนโทรลแบบเฉพาะและอินเตอร์เฟซตัวขับเคลื่อนมอเตอร์

สำหรับในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องใช้แรงน้อยกว่าแต่ต้องใช้ความแม่นยำสูงในทั้งสองทิศทางเป็นสำคัญ แอคทูเอเตอร์วอยซ์คอยล์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม แอคทูเอเตอร์วอยซ์คอยล์เป็นการทำงานตามหลักการแรง Lorentz ซึ่งจะตัดสินว่า แรงของตัวนำกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กมีสัดส่วนสัมพันธ์กันกับความแรงของสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า

VCA ได้กลายเป็นมอเตอร์สำหรับการเลือกใช้ในระบบเมคคาทรอนิกส์ เช่น กลไกการโฟกัสสำหรับเลนส์กล้องสมาร์ทโฟน เนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางของกระแสไฟฟ้าจะทำให้ทิศทางของแรงเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม ส่งผลให้แอคทูเอเตอร์วอยซ์คอยล์กลายเป็นแอคทูเอเตอร์สองทิศทางที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งยังสามารถรองรับกระบวนการในประเภทการค้นหาสองทางแบบทำซ้ำ ที่ช่วยให้เลนส์กล้องสามารถโฟกัสได้โดยอัตโนมัติ นอกจากนี้ ในกล้องเวอร์ชันลิเนียร์ยังมีรูปแบบการหมุนอีกด้วย

ในด้านไฟฟ้า แอคทูเอเตอร์วอยซ์คอยล์เป็นมอเตอร์แบบเฟสเดียว ดังนั้น จึงสามารถควบคุมได้ในลักษณะเดียวกันกับมอเตอร์ DC แบบทั่วไป อุปกรณ์มีแนวโน้มจะทำงานได้ดีในแง่ของคุณสมบัติการส่งเสียง ทำให้มีการนำมาใช้งานในอุปกรณ์เคลื่อนที่ นอกจากนี้ ยังมีการให้ฮิสเทอรีซิสที่ต่ำอีกด้วย

อีกวิธีหนึ่งที่แตกต่างกันในการจัดการกับการควบคุมการเคลื่อนที่ ได้แก่ การใช้ก๊าซแรงดันหรือของเหลวเพื่อผลักดันลูกสูบ เนื่องจากระบบนิวเมติกส์มีโอกาสน้อยกว่าที่จะนำไปสู่การหกของของเหลว ทำให้ระบบนิวเมติกส์มีแนวโน้มว่ามีการนำมาใช้อย่างแพร่หลายในระบบเมคคาทรอนิกส์ แม้ว่าจะต้องมีความเกี่ยวข้องกับตัวควบคุมขนาดใหญ่ในอุตสาหกรรม ระบบการควบคุมการเคลื่อนที่แบบนิวเมติกส์ก็นำมาซึ่งโอกาสในการสร้างสรรค์หุ่นยนต์ที่มีการเคลื่อนไหวในลักษณะใกล้เคียงที่กันกับมนุษย์และสัตว์ได้

ลูกสูบสามารถนำมาใช้ร่วมกับส่วนแขนขาที่เชื่อมต่อกันเพื่อทำหน้าที่เป็นกล้ามเนื้อเทียม ยกตัวอย่างเช่น มีการนำมาใช้ในหุ่นยนต์กายภาพบำบัด ซึ่งช่วยผู้คนให้ฟื้นตัวจากการบาดเจ็บร้ายแรงที่แขนขาเพื่อให้สามารถยืนและเคลื่อนที่ไปรอบๆ หรือเพื่อมอบแรงต้านทานสำหรับการออกกำลังกายเพื่อการกายภาพบำบัด

ในสถานการณ์มากมาย การควบคุมการเคลื่อนที่ไม่ใช่สิ่งสำคัญ การเคลื่อนที่อาจเป็นเพียงแค่เพื่อเปิดหรือปิดวาล์ว ซึ่งอาจเป็นเพียงการกระทำส่วนหนึ่งของระบบไฮดรอลิกหรือนิวเมติกส์ นี่จึงเป็นจุดที่โซลินอยด์เข้ามามีบทบาทเป็นโซลูชัน อุปกรณ์ประกอบด้วยคอยล์ตัวนำที่ห่อหุ้มอยู่รอบอาร์เมเจอร์โลหะแบบเคลื่อนที่ โซลินอยด์ใช้ประโยชน์จากกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ โดยอาร์เมเจอร์จะมีการเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ช่วยเพิ่มการเหนี่ยวนำของคอยล์

โดยปกติแล้ว การใช้กระแสไฟกับโซลินอยด์เป็นการบังคับอาร์เมเจอร์ให้เคลื่อนไปยังตำแหน่งใหม่ โดยปกติ รูปแบบที่พบทั่วไปคือ โซลินอยด์จะอยู่ในตำแหน่งปิดในวาล์ว ซึ่งหมายความว่า การไหลจะถูกปิดกั้นโดยอาร์เมเจอร์เมื่อไม่มีการใช้กระแสไฟ เมื่อมีการใช้กระแสไฟ อาร์เมเจอร์จะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ช่วยให้ของเหลวหรือก๊าซไหล ตัวอย่างของโซลินอยด์ประเภทนี้ที่ออกแบบมาสำหรับการควบคุมระบบนิวเมติกส์ ได้แก่ Parker Viking Extreme G แม้ว่าโซลินอยด์หลายประเภทจะออกแบบมาเพื่อให้มีสถานะเปิด-ปิดที่เรียบง่าย แต่โซลินอยด์ชนิดแบ่งส่วนมักจะนำมาใช้ในการออกแบบบางประเภทเพื่อทำให้มีการควบคุมที่ปรับเปลี่ยนได้ โซลินอยด์ชนิดแบ่งส่วนทำหน้าที่รักษาสมดุลของแรงสูงสุดที่กระแสไฟสามารถนำมาใช้กับสปริงได้ เริ่มตั้งแต่ระดับที่ต่ำมาก การเพิ่มกระแสไฟจะค่อยๆ ทำให้โซลินอยด์ทำงานเต็มที่ ปัญหาที่เกิดกับโซลินอยด์ชนิดแบ่งส่วนคือฮิสเทอรีซิส กล่าวคือ การผ่อนกระแสจนถึงระดับหนึ่งไม่จำเป็นว่าจะเป็นการคืนค่าอาร์เมเจอร์ไปยังตำแหน่งเดียวกันกับเมื่อกระแสไฟเพิ่มขึ้นไปจนถึงระดับนั้น ในกรณีที่จำเป็นต้องใช้ฮิสเทอรีซิสในระดับต่ำ แอคทูเอเตอร์วอยซ์คอยล์แบบลิเนียร์จึงมีแนวโน้มที่จะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

เมื่อคาดการณ์ไปในอนาคต วัสดุที่เป็นนวัตกรรม เช่น ไฮโดรเจลจะเป็นทางเลือกเพิ่มเติมในการควบคุมการเคลื่อนที่ ไฮโดรเจลของโพลิเมอร์สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงอย่างมากในเชิงปริมาณเมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้า ลักษณะเช่นนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่จำเป็นต้องใช้กล้ามเนื้อเทียม หรือในกรณีที่ต้องใช้การรองรับแบบยืดหยุ่นร่วมกันกับการเคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้ยังคงอยู่ในระยะเริ่มแรกของการพัฒนา และระบบเครื่องกลไฟฟ้าที่อธิบายข้างต้นจะยังคงเป็นตัวเลือกสำคัญสำหรับนักออกแบบเมคคาทรอนิกส์ในอนาคตอันใกล้ แต่จะเห็นได้ชัดว่า มีตัวเลือกมากมายที่ได้มาจากการผสมผสานระหว่างระบบอิเล็กทรอนิกส์กับระบบกลไก ซึ่งในแต่ละแบบต่างก็มีข้อดีของตนเองที่เหมาะกับแต่ละสถานการณ์