Актуатор

Aктуатор (actuator) - исполнительное устройство регулирующей или управляющей системы. В нашем случае такой системой является робот, и движение его составных частей происходит именно благодаря наличию актуаторов.

К наиболее распространенным можно отнести электрические, гидравлические и пневматические актуаторы. Уверен что большинство инженеров с другими типами этих устройств и вовсе не встречались. Рассмотрим кратко каждый их них.

Электрический привод

К этому типу относят электрические двигатели различных видов. Существующая классификация двигателей, выделяет две основные группы: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. Суть этого разделения вытекает из самого названия.
 
Двигатели постоянного тока (AC motors)

Наиболее доступными являются, пожалуй, обычные коллекторные двигатели постоянного тока (КД). Они достаточно дешевы в изготовлении и в управлении, поэтому встречаются практически в каждом бытовом, и не только, устройстве которое может питаться от батареек. КД часто применяются и там, где требуется наличие большого пускового момента. Например, стартер автомобиля и тяговый двигатель электровоза как правило представляют собой коллекторный электродвигатель постоянного тока.  

Основным недостатком данного типа приводов является наличие щеток, которые имеют свойство истираться со временем. Щетки снижают динамические характеристики мотора и приводят к появлению электромагнитного шума во время его работы, вызываемого дугой между щетками и контактами ротора.

Бесколлекторные (вентильные) двигатели (ВД) лишены щеток, поэтому обладают более высокими скоростными характеристиками,  меньше нагреваются и шумят. Еще одним преимуществом ВД перед коллекторными моторами является большая плотность мощности. Как правило, вентильные двигатели при равных размерах, мощнее чем КД.

Вентильные двигатели широко применяются в авиамоделизме. Однако, вследствие использования дорогостоящих редкоземельных магнитов, ВД стоят значительно больше чем обычные коллекторные. Кроме того, устройство управления скоростью такого двигателя (ESC) зачастую выходит дороже чем сам мотор.

Двигатели переменного тока (AC motors)

Двигатели этого типа, сами по себе, являются самыми дешевыми в изготовлении и в обслуживании. Такие электродвигатели в основном применяются в промышленности и в бытовых приборах, где нет необходимости плавно изменять скорость вращения ротора. Двигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. В первых, вращение ротора происходит согласно вращению магнитного поля статора. В асинхронном двигателе такой зависимости нет, и часто поле вращается быстрее ротора.

Для целей робототехники нам больше всего интересен один из видов синхронного двигателя, называемый шаговым двигателем (ШД, stepper motor). Шаговые двигатели позволяют осуществлять вращение ротора на строго заданный угол без использования датчика угла поворота. ШД могут быть использованы вместо серво-машинок, поскольку имеют достаточно большой крутящий момент и точное позиционирование вала. Подобные приводы используются в системах где необходимо точное позиционирование, таких как например принтеры, сканеры, плоттеры и станки с ЧПУ (CNC). 

Следует отметить, что с удешевлением микроконтроллерной электроники, шаговые двигатели постепенно вымещаются двигателям постоянного тока с редукторами и датчиками угла поворота. Так, если ранее в оптических приводах для движения головки применялись ШГ, то теперь эту работу выполняет обычный КД.

Увеличение крутящего момента

мотор-редуктор
Электрический двигатель, в своем первозданном виде (исключая шаговый), имеет очень высокие обороты но низкий крутящий момент. Однако, такой стиль движения редко где может быть использован. Как правило, требуется как раз большой момент при низких оборотах. Для решения этой проблемы применяются механические редукторы. Типичный цилиндрический редуктор состоит из комбинации шестерней различного диаметра, и преобразует высокую угловую скорость двигателя в более низкую но с увеличенным вращающим моментом.

Существуют различные типы редукторов, включая цилиндрические, червячные, планетарные, конические и пр. Чаще можно встретить цилиндрические редукторы, которые имеются в каждой серво-машинке, в шаговых двигателях и коллекторных двигателях постоянного тока.

Актуаторы на основе электродвигателей

Линейный актуатор (ЛА)

Линейный актуатор представляет собой систему позиционирования, в основе которой лежит преобразование вращательного момента электродвигателя в поступательное движение штока. Как правило, такое устройство включает в себя сам двигатель, редуктор, датчик поворота ротора двигателя и концевой выключатель. 

Длина выдвигаемой части штока у типовых ЛА варьируется от 50мм до 500мм. Скорость движения штока до 50мм/с в зависимости от нагрузки. Прикладываемая линейным приводом к объекту сила принимает значения 200Н до 10000Н в зависимости от модели. 


Сервомашинка (рулевая машинка)

Сервомашинками, или просто "сервами" называют устройство для точного позиционирования узлов радиоуправляемых моделей. Устройство состоит из электродвигателя, редуктора, потенциометра обратной связи и платы управления. Благодаря редуктору, сервомашинки обладают достаточно большим вращательным моментом.

Соленоиды

Ещё один вид электрических приводов - это соленоиды. Соленоид обладает пожалуй самой простой конструкцией из всех типов актуаторов и представляет собой электромагнит у которого внутренний магнитопровод подвижен либо отсутствует. Подавая постоянное напряжение на соленоид, он втягивает металлический шток, осуществляя тем самым поступательное движение. При отключении питания, шток возвращается в исходное положение с помощью пружины.

Соленоиды применяются в клапанах пневматических и гидравлических систем, в различных запорных устройствах.

Гидравлический привод

Гидравлика
Если ваш робот должен оперировать грузами более 100кг, то следует задуматься об использовании гидравлического привода. В основе подобных актуаторов лежит простой принцип, который каждый из нас знает со школы. 

Справа изображена схема примитивной гидравлической системы. Если на левый поршень с площадью S1 воздействует некоторая сила F1, то правый поршень, имеющий площадь S2, будет выталкиваться вверх с силой F2. При этом, соотношение между силами F1 и F2 имеет вид: F1/F2 = S1/S2. Благодаря такому свойству, гидравлическая система может выполнять ту же функцию, что и шестеренный редуктор. Кроме того, гидросистема позволяет передавать силовое воздействие на некоторое расстояние через гибкие гидролинии, что гораздо удобнее, чем передача движения посредством шестерней.

Замкнутый объемный гидропривод, который чаще всего используется в машинах, включает в себя несколько основных компонентов:
  • насос (шестеренный, поршневой, и др.);
  • гидролинии, включая напорную магистраль (трубы, рукава);
  • гидродвигатель (гидроцилиндр, поворотный гидродвигатель, гидромотор);
  • гидрорегулирующие устройства, такие как дроссель или гидрораспределитель. 
Суть работы гидропривода состоит в следующем. Насос создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, которая соединяется с гидродвигателем. В свою очередь, гидродвигатель преобразует давление жидкости в механическое движение. При этом, гидрорегуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя.

Гидроцилиндр
На рисунке слева изображен гидроцилиндр (в разрезе), который является одним из самых распространенных гидродвигателей. Гидроцилиндр преобразует давление рабочей жидкости в поступательное движение. Такое устройство можно обнаружить во многих современных больших машинах, как то в экскаваторах, кранах, грейдерах, и пр.

К сожалению, гидроприводы имеют ряд серьезных недостатков, которые затрудняют их использование в небольших проектах. Во-первых, гидроприводы достаточно массивны, и использовать такой актуатор, например, на небольшом беспилотнике весьма проблематично. Во-вторых, для обеспечения герметичности системы требуется изготавливать очень точные и прочные детали, что сильно сказывается на стоимости системы. Кроме того, гидравлические системы чувствительны к температуре. Нагрев рабочей жидкости снижает её вязкость и увеличивает вероятность утечек. Следует отметить и тот факт, что КПД гидропривода ниже, чем в шестеренных передачах.

Гидроприводы используются в различных промышленных роботах, работающих с большими грузами. Подобные актуаторы применяются, например, в известном детище DARPA - роботе BigDog.

Пневматический привод

Как и в предыдущем случае, пневматический привод представляет собой механизм передачи энергии от приводного двигателя к некоторой нагрузке. В качестве рабочего тела здесь выступает атмосферный воздух, который может запасать энергию с помощью компрессора. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю.

Также как и у гидропривода, здесь имеются пневмодвигатели с поступательным движением, поворотные двигатели и пневмомоторы. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте. В частности, скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов  в минуту.

К преимуществам пневмопривода можно отнести тот факт, что рабочее тело не ограничено заданным объемом и может пополняться в случае утечки. Собственно и отсутствие утечек в виде горючей жидкости также можно назвать плюсом. Вместо компрессора можно также использовать баллон со сжатым газом, что значительно упрощает построение пневматической системы.

Однако, у данного типа актуаторов есть и значительные минусы. Во-первых, при сжатии и расширении рабочего газа, его температура сильно изменяется. Вследствие этого, тот же пневмомотор может обмерзать, покрываться инеем. Во-вторых, КПД пневмопривода даже ниже чем у гидравлического аналога. Ну и в-третьих, что очень важно именно в роботехнике, пневмопривод имеет низкую плавность хода и точность срабатывания.

Ввиду имеющихся проблем, пневматический акутатор рационально использовать для механизмов с двумя состояниями. Например, для действий закрывания/открывания, или втягивания/выталкивания.

Сложные и экзотические актуаторы

Пневматический мускул

Пневматический мускул
Этот актуатор, по сути является пневмодвигателем, который для своей работы требует наличия полной пневматической системы. В отличие от распространенных пневмоцилиндров, мускул совершает поступательное движение посредством расширения в боковых направлениях, а не в продольном. Это всё еще не совсем тот принцип, который использует биологический мускул, однако выглядит и действует такой привод весьма схожим образом.

Пневматический мускул состоит из синтетического волокна, что делает его очень легким, в отличие от того же пневмоцилиндра. Мускул также способен отводить избыточную энергию, благодаря чему взаимодействие с человеком становится гораздо безопаснее. Например, если рука робота на основе пневмомускулов будет сжимать руку человека, то она не станет вкладывать всю энергию именно в сжатие, а лишь отведет избыточное давление в расширение тела мускула.

Пневматический мускул, наряду с электроактивными полимерами, все чаще используется в робототехнике как замена классическим шестеренным, гидро- и пневмоприводам.



Электроактивные полимеры

Электроактивные полимеры (ЭАП, EAP) - это полимеры, которые способны изменять свой размер и форму под воздействием электрического поля. Существует несколько различных типов подобных материалов, включая:
  • диэлектрические ЭАП (Dielectric);
  • сегнетоэлектрические полимеры (Ferroelectric);
  • полимеры с включениями электрострикционных композитов (Electrostrictive Graft Polymers);
  • ЭАП на основе жидких кристаллов (Liquid Crystalline Polymers);
  • ионные ЭАП (Ionic EAPs);
  • ЭАП на основе электрореологических жидкостей (Electrorheological Fluid);
  • ионные, металл-полимерные композиты (Ionic polymer-metal composite).
Актуаторы на основе электроактивных полимеров имеют огромный потенциал в робототехнике. В отличие, например, от пневматических мускул, привод на основе полимерного материала имеет больше общего со своим биологическим прототипом. ЭАП-актуаторы не имеют вращающихся и скользящих частей, что позитивно влияет на их износостойкость и защищенность от внешней среды. Они компактны, и могут быть объединены в пучки с разными каналами управления, обеспечивая динамику, схожую с динамикой работы живых мышц.


Важным является и тот факт, что ЭАП-актуаторы превосходят остальные приводы по миниатюризации. В частности, ЭАП могут использоваться в микроэлектромеханических системах, размеры которых варьируются в диапазоне от одного до десятков микрометров.

К сожалению, ЭАП пока ещё только начинают свое шествие по миру, и найти в широком доступе такие материалы весьма проблематично. 

Металлы с эффектом памяти

Ещё одним интересным материалом, на основе которых может быть изготовлен актуатор робота, является металл с эффектом памяти. Среди сплавов с таким эффектом, наиболее известным является никлид титана, или нитинол (NiTiNOL). 

Stiquito
Эффект памяти нитинола заключается в следующем. При низкой температуре, проволока из этого материала ведет себя точно также как обычная проволока из мягкого металла. Её можно изгибать и растягивать, и при этом она не будет сопротивляться такому воздействию. При нагревании, нитиноловая проволока начнет возвращаться в своей исходное состояние, в котором она была изготовлена. Например, растянутая спираль из никелида титана, при нагревании будет сжиматься. 

На основе металла с памятью основаны актуаторы такого известного робота как Stiquito. При подаче напряжения на тонкие нитиноловые нити, последние начинают сжиматься, передавая движение ноге робота. Со временем остывает и нога возвращается в свое исходное состояние.

К серьезному недостатку подобных актуаторов, можно отнести их медлительность. Кроме того, если нагрев материала можно обеспечить пропусканием через него тока, то обеспечить его быстрое охлаждение далеко не так просто. Эти два фактора, а также немалая цена нитинола, снижают его ценность для робототехники.



Comments