Introducere:

După cum stau lucrurile în prezent, în general, mișcarea robotică este creată de motoare. Folosind motoare în mod creativ, este posibilă o cantitate inimaginabilă de automatizare robotică. Prin urmare, este important să începeți să învățați despre motoare dacă doriți să construiți roboți proprii. Există multe tipuri de motoare diferite în lume. Acesta nu este în nici un caz un ghid exhaustiv, ci un curs în utilizarea motoarelor. Deși acesta este doar o prezentare generală inițială, vom continua să acoperim mai mult motoarele pe măsură ce progresăm prin clasă, iar abilitățile noastre vor deveni mai avansate.

Un motor electric este o mașină care transformă energia electrică în energie mecanică. Altfel, atunci când mașina este alimentată de electricitate, se mișcă (de obicei prin rotire).

Dacă ar trebui să iei separat un motor DC, ar arăta foarte complicat, dar de fapt este un dispozitiv destul de fundamental.

Atunci când alimentarea este aplicată la bornele exterioare ale motorului, trece prin perii spre comutator. Periile au primit numele lor pentru că literalmente perie peste comutator pe măsură ce acesta se rotește liber între ele.

Comutatorul este realizat din bucăți separate de material conductiv atașat în jurul arborelui motorului. Fiecare piesă a comutatorului este atașată la un fir diferit în înfășurarea motorului. Pe măsură ce arborele se rotește și periile freacă împotriva lor, ele fac și rup contactul electric cu fiecare dintre ele si alimenteaza diferitele învelișuri.

Înfășurările sunt niște bobine inductoare. Puteți afla mai multe despre acest lucru în lecția Inductors din clasa electronică.

Când înfășurările sunt alimentate, ele creează un câmp magnetic prin rotorul înfășurat. Câmpul creat în rotor reacționează cu câmpul magnetic al magneților care sunt fixați permanent în interiorul statorului (incintă metalică). Aceste forțe magnetice concurează ca rotorul, care este atașat la arborele motorului, să se rotească în aliniere, deoarece este respins/atras de magneții fixați.

Dacă înțelegeți cum funcționează magneții, ați ști că odată ce câmpurile sunt aliniate, rotorul ar trebui să se oprească.

Totuși, pe măsură ce se rotește, conexiunea electrică la înfășurarea care este alimentată este întreruptă și comutatorul alimentează următoarea înfășurare, determinând următoarea să se rotească încă o dată. Datorită acestei noi rotații, conexiunea este ruptă din nou, iar următoarea înfășurare este alimentată continuând ciclul. Această secvență va continua pe termen nelimitat, atâta timp cât motorul este alimentat.

Deoarece rotorul este atașat la arbore, acest lucru explică de ce arborele motorului se rotește când se aplică electricitatea.

La rândul său, arborele este ținut în loc de un rulment în față (și uneori în partea din spate) a statorului (incintă).

Există trei tipuri comune de motoare pe care le întâlniți în mod obișnuit în robotică. Acest lucru nu înseamnă că acestea sunt singurele tipuri de motoare care există, dar ele sunt motoarele cu care veți lucra cel mai probabil.

Motoarele DC se rotesc liber când sunt alimentate cu curent continuu și nu au o poziție precisă. Acestea sunt cele mai bune ca motoarele de antrenare robotizate. Puteți identifica în mod obișnuit un motor DC deoarece arată ca un tub metalic rotund cu un arbore în centru și cu două terminale din spate. Aceste motoare vin într-o gamă largă de mărimi diferite și tensiuni de funcționare.

Motoarele Stepper (pas-cu-pas) au două sau mai multe bobine separate care trebuie alimentate într-o anumită secvență.

Din acest motiv, arborele se mișcă în pași mici, deoarece alimentarea este ciclică între bobine. Aceste motoare sunt bune pentru poziționarea precisă și controlul vitezei, în special atunci când aveți nevoie de un motor care poate fi rotit 360 de grade. Puteți identifica de obicei un motor pas cu pas, deoarece are o formă de cutie și/sau are 4 sau mai multe fire care ies din partea sa laterală. Cel mai obișnuit tip de motor pas cu pas este un motor bipolar, care are două bobine și patru fire (două pentru fiecare bobină). Acestea sunt de obicei tipurile pe care le veți întâlni.

Servo-motoarele sunt motoare cu angrenaje DC specializate, cu o placă de control încorporată, care necesită un

semnal de la un microcontroller. Cele mai multe servo au rotație limitată și sunt capabile să fie direcționate pentru a se deplasa într-o poziție foarte precisă. Totuși, există servo de rotație continuă care nu se pot deplasa în poziția exactă, dar pot fi programate în termeni de viteză. Puteți identifica un servo-motor deoarece este similar cu cutia și are un obiect asemănător cu angrenajul atașat la arborele său.

Există o întreagă lecție de servo, în care vom discuta despre acest tip de motor în mai mare profunzime.

Există câțiva factori care trebuie luați în considerare atunci când selectați un motor.

Ca regulă generală, cu cât motorul pe care îl alegeți estemai mare, cu atât mai multă tensiune și curent poate manevra.

Acest lucru este important deoarece există o corelație între tensiune și viteză și alta între curent și cuplu.

Spus altfel, cu cât mai multă tensiune este aplicată la un motor, cu atât mai repede se învârte.

Totuși, la fel ca toată electronica, motoarele au un domeniu de tensiune optim și nu ar trebui să depășească niciodată tensiunea maximă. Aceasta înseamnă că motoarele DC au și o viteză maximă (la tensiunea de funcționare maximă).

Pentru necunoscători, cuplul este cantitatea de forță rotativă pe care o poate aplica un motor. Ca și viteza, motoarele au, de asemenea, o cantitate maximă de cuplu pe care o pot produce înainte de a se opri. Pe măsură ce motorul se confruntă cu o rezistență crescândă și se apropie mai mult de oprire, cantitatea de curent pe care o consumă crește. Cantitatea absolută de curent pe care un motor o poate consuma, atunci când se confruntă cu o rezistență atât de mare încât se oprește să se rotească, se numește curent de blocare.

Curentul de blocare este important deoarece va indica puterea potențială a motorului. Cu cât este mai mare acest număr, cu atât mai multă putere potențială are motorul. Deși, când motorul robotului se rotește liber și nu se confruntă cu multă rezistență, nu va atrage aproape la fel de mult curent.

Spre deosebire de alimentarea cu tensiune a motorului, care poate fi modificată prin reglarea tensiunii în intervalul de funcționare, opțiunile de reglare a cuplului nu sunt atât de ușoare. Puteți obține pur și simplu un motor mai mare și mai puternic pentru a rezolva această problemă sau puteți utiliza o cutie de viteze.

O cutie de viteze este o colecție de roți dințate aranjate în așa fel încât să modifice viteza și cuplul motorului fie să crească, fie să scadă (în funcție de aranjament). Arborele motorului va fi atașat la un capăt al cutiei de viteze, iar în timp ce motorul se rotește, rotația va fi modificată la o viteză diferită la arborele de ieșire al cutiei de viteze.

De regulă, cu cât motorul se rotește mai repede, cu atât are mai puțin cuplu. Cutiile de viteză mai lente oferă mai mult cuplu decât cele mai rapide și invers.

Este rar că ar trebui să construiți propria cutie de viteze. Multe motoare sunt asamblate cu o cutie de viteze deja atașată într-o serie de configurații diferite. Motoarele cu cutie de viteză sunt o modalitate excelentă de a obține multă energie într-un pachet mic sau de a încetini un motor DC, fără a se baza pe un controller de motor pentru a face toată munca.

De obicei, puteți identifica un motor cu cutie de viteză pentru că seamănă cu un motor normal, dar cu un cilindru mai mare la capăt. De asemenea, arborele este adesea descentrat.

Prin atașarea arborelui motorului la diferite sisteme mecanice, puteți obține diferite tipuri de mișcare. Aceste ansambluri pot fi în cele din urmă combinate pentru a crea ansambluri electromecanice avansate care rezolvă diferite sarcini. Deși nu este destul de robotic, mecanismul playerului de bandă de mai sus ilustrează acest lucru.

Mai jos sunt formele primare de mișcare pe care le veți realiza de la un mecanism standard.

Mișcarea rotativă este cea mai ușoară realizare, deoarece arborele motorului se rotește deja. În mod tipic, sistemele rotative implică creșterea sau scăderea vitezei de rotație a motorului. Așa cum am menționat, aceasta modifică și cuplul sistemului în relație. Tipul de mecanism rotativ pe care îl întâlniți în mod obișnuit implică pinioane și fulii.

Mișcarea liniară transformă mișcarea de rotație în mișcare pe un plan plat. Printre exemplele clasice se numără benzi transportoare și piste de rezervoare. Aceste sisteme utilizează două sau mai multe roți dințate (una conectată la arborele de antrenare și una în rotire liberă) pentru a trage o pistă plată în jurul lor. Cu cât distanța dintre aceste roți este mai mare, cu atât mai lungă va fi pista. Odată ce pista este trasă în jurul roților, se mișcă în direcția unui plan plat.

Mișcarea alternativă este o mișcare înainte și înapoi într-un mod liniar. Acest tip de mișcare este adesea folosit pentru a deplasa un piston sau într-o încuietoare automată a ușii. Există multe modalități diferite de a realiza mecanic mișcarea alternativă. Abordările obișnuite implică folosirea unui jug (așa cum este prezentat în imagine), o camă sau legături.

Mișcarea oscilantă implică orice parte care se mișcă înainte și înapoi de-a lungul unui arc. Exemplul cel mai clasic al acestei mișcări este un metronom. Ca majoritatea celorlalte mișcări, mișcarea oscilantă poate fi creată utilizând o serie de mecanisme diferite, inclusiv legături. Cel mai adesea este nevoie doar de o singură parte, un pivot fix fiind împins înainte și înapoi de o altă parte.

Pentru a obține diferitele tipuri de mișcări, trebuie să folosiți componente mecanice. Există mai multe mecanisme în această lume decât am putea trece, dar aici sunt câteva comune pe care le puteți întâlni în robotică.

Cel mai simplu mecanism pe care îl puteți atașa este o greutate descentrată pe un ax rotativ. Aceasta va cauza motorul să vibreze. Acestea sunt cel mai adesea folosite în vibrobots pentru a crea o mișcare complexă. Acest tip de mișcare este cea mai rapidă cale de a ajunge la satisfacție, dar este, de asemenea, cea mai dificilă pentru a pilota. Robotul va avea tendința de a se răsuci la stânga sau la dreapta, în funcție de direcția în care motorul se rotește, dar mișcările vor fi în mare parte arbitrare.

Fuliile sunt un tip de mecanism de rotație care poate fi utilizat pentru a schimba viteza, cuplul sau, în unele cazuri, direcția motorului. Lucrul frumos în ceea ce privește utilizarea fuliilor este acela că acestea sunt bazate pe frecare, deci dacă arborele de antrenare pe care sunt atașate se gripează sau se blochează, centurile vor aluneca și motorul va continua să se rotească. Acest lucru pune presiune mai puțină atât pe motor, cât și pe sistemul electronic de la motor, care trebuie să muncească mai greu și să consume mai mult curent când se apropie de blocare. Totuși, lucrul rău cu privire la fulii este că ele pot aluneca, astfel încât acestea nu sunt la fel de precise ca și alte mecanisme. Acestea sunt, prin urmare, cele mai potrivite pentru sistemele de acționare unde precizia motorului nu este la fel de importantă, iar arborele de antrenare este cel mai probabil să se confrunte cu rezistență și staționare.

Un alt tip de mecanism rotativ comun sunt pinioanele. Pinioanele funcționează în multe feluri, așa cum fac fuliile. Dar, spre deosebire de fulii, pinioanele pot fi, de asemenea, în alte forme, cum ar fi o configurație "rack" ca în robotul imprimat 3D de mai sus, și pot fi folosite pentru a crea mișcare liniară. Pinioanele nu se bazează pe frecare pentru a roti arborii, ci au mai degrabă o serie de dinți în angrenaj interconectat. Acest lucru le face mai precise, deoarece dinții de cuplare asigură o cantitate uniformă și previzibilă de rotație de la un arbore la altul.

Din cauza dinților cuplați și care intră în contact, pinioanele necesită o aliniere foarte precisă. În cazul în care sunt prea îndepărtate, pinioanele vor sări sau vor fi uzate mai repede, iar dacă sunt prea apropiate împreună, pinioanele vor aplica prea multă presiune și se vor gripa. Vorbind despre asta, sistemelor de transmisie nu le place să fie blocate. Acest lucru presupune o mulțime de forță pe dinții pinionului care sunt de obicei mici si fragili. Aceasta poate duce la ruperea unui dinte pe angrenaj, ceea ce ar putea duce la imprecizie sau la defectarea întregului sistem mecanic. Poți să spui că un sistem cu pinioane este rupt deoarece este în întregime gripat sau face zgomote oribile de scrâșnire.

O modalitate simplă de a transforma mișcarea rotativă în mișcare alternativă, liniară sau oscilantă este de a folosi o camă. O camă este doar un braț de pârghie care se rotește în afara centrului din arbore. Cel mai obișnuit tip de camă este în formă de oval. Cu toate acestea, camele poate veni într-o serie de diferite forme și dimensiuni, de la formă dreptunghiulară la forma inimii. Camele doar împing lucrurile și pot servi tot felul de scopuri în sistemele mecanice. În acest caz, cele două came sunt atât de ridicare și de propulsare a robotului înainte deoarece sunt rotite de servo.

Legăturile pot fi utilizate pentru a crea mișcare alternativă și oscilantă. Tot ceea ce se întâmplă să fie o legătură este pur și simplu o bară rigidă cu găuri în ea pentru pivoți. Într-un sistem de legare, unele dintre ele sunt constrânse de alte legături, iar altele sunt fixate la suprafața pe care motorul se rotește. Prin crearea unei combinații de pivoți liberi și fixați, legăturile pot crea o multitudine de mișcări complexe.

O altă metodă obișnuită de transformare a mișcării este folosirea șenilelor. Pe lângă faptul că orice robot arată ca un rezervor, această formă de conversie creează o mișcare liniară. Unul dintre beneficiile unui vehicul cu șenile este că metoda sa de locomoție are o suprafață mult mai mare decât o roată. Acest lucru îi permite să aibă mai multă frecare cu solul, ceea ce este esențial pentru urcarea pe suprafețe și obstacole inegale. Faptul că șenilele au inerent un pic de da peste lungimea lor, de asemenea, nu doare cu acest lucru, fie că acestea sunt în măsură să se conformeze cu plane ușor neuniform.

Câteva preocupări practice.

Pentru a activa un motor de curent continuu, trebuie doar să conectați o tensiune pozitivă (în limita puterii sale) la un terminal de pe motor și să conectați la celălalt terminal masa.

Pentru a inversa direcția motorului DC, inversați pur și simplu firele conectate la fiecare terminal. Motivul pentru care motorul se învârte înapoi atunci când faceți acest lucru este acela că polii magnetici creați în interiorul bobinelor sunt inversați când îi acționați în sens invers. Aceasta forțează rotorul să se rotească în sens opus pentru alinierea cu magneții fixați din interiorul statorului (carcasa motorului).

Vom trece la controlul motoarelor cu un microcontroler (cum ar fi un Arduino) în următoarea lecție.