Одной из важнейших вех в истории электротехники можно считать изобретение электродвигателей, ставших неотъемлемой частью нашей современной жизни. И если изначально электродвигатели использовались как самостоятельное устройство, то в последствии к ним стали добавлять другие компоненты: редукторы, контроллеры и датчики, и эти конструкции стали называть сервоприводами. В этой статье мы рассмотрим использование электродвигателей и сервоприводов в таких сферах как робототехника и медицина.
Робототехника
Робототехника – сфера науки и техники, начавшая стремительно развиваться в последние несколько десятилетий. Всё чаще роботы применяются на производствах для повышения качества производимой продукции, а также для наращивания производственных мощностей. Роботы не устают и не требуют перерывов, что позволяет сохранять высокое качество даже при сложной монотонной работе, что, в свою очередь, приводит к сокращению числа бракованных изделий. Использование роботов также снижает риск травматизма и ранений сотрудников, поскольку все производства – это зоны повышенного риска. Особенно это становится актуальным там, где используются опасные вещества, например, в химической промышленности. Кроме того, в долгосрочной перспективе, использование роботизированных систем является более выгодным, с точки зрения расширения функционала штата сотрудников.
Роботы применяются для сварочных работ, сборки плат, покраски готовых изделий, подачи материалов и компонентов для изделий, визуального контроля и других задач на производстве. Всё это требует использования электродвигателей и сервоприводов для точного позиционирования роботов. Мы не будем рассматривать роботизированные системы для каждой конкретной задачи, а рассмотрим роботов-манипуляторов в общем виде.
Роботы-манипуляторы
Роботы-манипуляторы – это тип промышленных роботов, выполняющих функции человеческих рук. Соединения сегментов таких роботов допускают, как правило, вращательные и поступательные движения.
Подобные роботы нашли применение во многих сферах промышленности
- В автомобилестроении использование роботов-манипуляторов позволяет одновременно выполнять несколько процессов в автоматическом режиме во время движения изделия по конвейерной ленте. Роботов применяют для литья, штамповки, установки деталей, сборки, сварки и других видов работ. Использование роботов позволяет обеспечить беспрерывное производство и повысить производственную мощность.
- При производстве электротехники и электронных компонентов использование высокоточных роботов-манипуляторов позволяет не только существенно ускорить производство, но и сократить количество брака, допускаемого из-за человеческого фактора.
- В химической промышленности использование роботов позволяет минимизировать взаимодействие работников с опасными химикатами. Там же, где нельзя полностью автоматизировать процессы, применяются коллаборативные роботы (коботы), способные взаимодействовать с человеком.
На рисунке 1 показана схема возможного движения робота-манипулятора для резки, сборки, шлифовки и транспортировки (в зависимости от используемых насадок) с шестью степенями свободы.
Рассмотрим на примерах
Производство автомобилей
На автомобильных заводах компании Hycan (Китай), специализирующейся на выпуске электромобилей, весной 2023 года начали использовать роботов для сварки от производителя COMAU. Данные роботы могут быстро переключаться между производством различных моделей, а также могут быть адаптированы под производство новых моделей, выпускаемых Hycan.
В состав системы входит конвейерная линия, в которую были добавлены сервоприводы позиционирования, а также роботы-манипуляторы, предназначенные непосредственно для проведения сварочных работ. Роботы и ранее использовались на различных заводах для сварки, но добавление сервоприводов непосредственно в конвейерную линию позволило одновременно производить сварку на нескольких изделиях, а также сократить время, затраченное на одно изделие.
Использование роботизированной системы позволило увеличить производственную мощность заводов до 200 000 изделий в год, при сохранении гибкости всей системы и возможности её адаптации к будущим изделиям.
При применении в промышленной робототехнике сервоприводы обеспечивают требуемое положение робота в соответствии с полученной от процессора командой. Именно для этого и требуются датчики, расположенные на валу двигателя и, опционально, на выходном валу редуктора. В состав используемых в роботах-манипуляторах сервоприводов могут входить бесколлекторный электродвигатель, волновой редуктор и датчики обратной связи на валу мотора и валу нагрузки. Среди производителей, представленных в каталоге ИНЕЛСО, стоит отметить производителя приводных решений Assun Motor, производителя волновых редукторов Han’s Motion, производителя электродвигателей и датчиков Han’s Motor (обе компании являются дочерними компаниями крупного производителя Han’s Laser), а также турецкого производителя всех видов энкодеров - Fenac Technology.
Как работает подобная система
Устройство управления вырабатывает сигнал, определяющий, к примеру, необходимый угол поворота одного из звеньев манипулятора, и этот сигнал направляется к сервоприводу, ответственному за данное звено, усиливается и в виде силового воздействия передаётся управляемому механизму (в данном случае – звену манипулятора). Датчики обратной связи, входящие в состав сервоприводов, получают информацию о новом положении привода, и эта информация передаётся на блок управления, где она сравнивается со значением положения, которое необходимо было получить.
На рисунке 2 показана схема устройства манипулятора с шестью звеньями.
На рисунке 3 приведена структурная схема передачи сигнала от устройства программного управления к звеньям манипулятора.
В промышленных роботах применяются разные типы сервоприводов в зависимости от назначения того или иного узла. Так поворот всего корпуса робота обеспечивается относительно большим и мощным сервоприводом с малой выходной скоростью на валу редуктора, а вот движение более мелких узлов (например, «пальцев» манипулятора) можно обеспечить с использованием менее габаритных, но более скоростных сервоприводов.
В мобильных роботах также в обязательном порядке присутствуют сервоприводы, но тут накладываются более серьёзные ограничения по габаритам и весу: чем меньше и при этом мощнее электродвигатель, тем быстрее сможет перемещаться робот и тем большее количество полезной нагрузки сможет перемещать. Кроме того, в данном случае важны также параметры энергопотребления, поскольку при использовании менее мощных двигателей увеличивается время автономной работы роботов, работающих от аккумуляторных батарей. Высокоэффективные моторы Assun Motor могут обеспечить длительную работу автономных систем за счёт КПД более 90%.
Сервоприводы в медицине
Роботизированные конечности
В современной робототехнике важным направлением является разработка роботизированных конечностей. Основными перспективными направлениями в этой области считаются разработки бионических протезов, предназначенных для людей, переживших ампутацию или изначально родившихся без какой-либо конечности, а также системы дополнительных конечностей, предназначенных для упрощения проведения работ (например, дополнительная пара или две роботизированных рук для людей, выполняющих ремонтные работы).
Бионические протезы
Современные бионические протезы бывают односхватовые и многосхватовые. Первый тип оснащён одним мотором, который обеспечивает односложное смыкание-размыкание пальцев кисти руки. В протезах такого типа используется электродвигатель с редуктором, поскольку нет необходимости в определении точного положения пальцев. А вот в многосхватовых протезах используются уже именно миниатюрные сервоприводы, находящиеся в каждом пальце. Двигатели для подобных изделий есть у производителя Assun Motor.
Дополнительные роботизированные конечности
В роботизированных конечностях, предназначенных не в качестве протезов, используется аналогичная система с несколькими сервоприводами. Главным требованием к подобным конструкциям является их компактность и малый вес. Кроме того, сервоприводы подобных устройствах должны обладать высокими значениями моментных характеристик, чтобы не только выдерживать вес человека, но и иметь возможность облегчать его перемещение.
Основной задачей обоих направлений данных разработок является улучшение системы управления. И если управление бионическими протезами осуществляется за счёт считывания мио-датчиками электрического потенциала, который вырабатывается во время напряжения и сокращения сохранившихся мышечных тканей руки, то с дополнительными конечностями всё несколько сложнее. Человеческий мозг не «запрограммирован» управлять более, чем двумя парами конечностей, что ставит перед учёными проблему соединения человеческого мозга и процессора в конечности.
Таким образом, можно сказать, что производство бионических протезов и дополнительных роботизированных конечностей – это отрасль, расположенная на стыке робототехники и производства медицинского оборудования, поскольку она объединяет в себе цели и сложности обеих этих сфер. Другим примером подобного симбиоза можно считать разработку и производство экзоскелетов – роботизированных систем, предназначенных для восстановления моторных функций пациентов.
Через мио-датчики экзоскелет получает информацию о движении носителя, после чего сигнал с контроллера подаётся на сервоприводы, приводящие в движение сочленение экзоскелета. Как правило, в подобных системах используются небольшие сервоприводы, в состав которых входят непосредственно двигатели (как правило, бесколлекторные), редукторы и датчик или датчики обратной связи. Например, многие компании производят экзоскелеты с приводами в бедренном и коленном сочленениях для большей подвижности.
На рисунке 4 показан вариант подобного экзоскелета.
В России также ведутся подобные разработки, и в условиях санкций, хорошим вариантом двигателей для подобных систем могут быть двигатели китайского производителя Assun Motor.
Но в медицине сервоприводы используются не только в протезах и экзоскелетах. На схеме ниже приведены основные направления развития современной медицинской робототехники.
Основные направления развития современной медицинской робототехники
Роботизированные механотерапевтические комплексы
Мы уже обсудили протезы, в которых применяются относительно небольшие сервоприводы, за счёт которых достигается подвижность пальцев. Теперь же поговорим о других системах, предназначенных для реабилитации пациентов: механотерапевтических комплексах. К ним относят, как и различные тренажёры, предназначенные для разработки конечностей и суставов после травм, так и роботизированные комплексы, призванные заменить трудоёмкую ручную работу специалистов среднего уровня (санитары и медсёстры), а также сократить сроки восстановления нарушенных функций. Например, в последние два десятилетия начали развиваться роботизированные массажные столы. Использование сервоприводов в таких системах необходимо для движения и точного позиционирования манипулятора (см. рис. 6).
Применение роботов, способных выбирать алгоритм действий, исходя из данных о пациенте, полученных с установленных на роботах датчиках, позволяет не только снизить рабочую нагрузку на медперсонал и увеличить объёмы оказываемой помощи, но и обеспечить более индивидуальный подход.
Кроме того, в роботизированных тренажёрах, использующихся для реабилитации пациентов, также используются сервоприводы, и особенно широко разработки в этой сфере ведутся в Европе. На рисунке 7 показан пример такого комплекса.
Данный комплекс предназначен для восстановления локомоторных функций кистей рук и пальцев. Принцип его работы схож с принципом работы экзоскелета: энцелограф считывает информацию о поступающих от пациента сигналах о движении, после чего эти сигналы фильтруются, усиливаются и через интерфейс «мозг-компьютер» подаются на приводы экзоскелета. В результате пациент видит движение своей руки в ответ на команду мозга, что способствует восстановлению нейронных связей. Волновые редукторы Han’s Motion отлично вписываются в изделия для медицинской реабилитации, так как практически не имеют люфта, а также обеспечивают высочайшую точность и плавность перемещения. В России ведутся подобные разработки, и во многих центрах уже используются реабилитационные роботизированные комплексы отечественного производства.
Электродвигатели и сервоприводы в медицинском оборудовании
Томографы
Стоит отметить, что в медицине электродвигатели и сервоприводы применяются не только как часть роботизированных систем, но и как компонент некоторых видов оборудования, в частности, в устройстве компьютерных томографов, где они обеспечивают вращение рентгеновских трубок внутри «трубы» томографа.
В настоящее время производители медицинского оборудования стремятся к увеличению скорости вращения трубок, что позволило бы сократить время получения результата, однако увеличение скорости вращения повышает важность точного позиционирования рентгеновских трубок, которые должны двигаться с постоянной скоростью для захвата изображения через одинаковые, точно установленные интервалы (рис. 8). Для использования в подобных системах производитель Han’s Motor предлагает возможность индивидуального изготовления двигателей с внутренним диаметром 1200 мм, с высокими значениями номинального и максимального момента и скоростью вращения до 35 об/мин.
Устройства для МРТ и рентген-исследований
В устройство современных столов, на которых размещаются пациенты для проведения МРТ и рентген-исследований, входят линейные двигатели, позволяющие точно подстраивать высоту стола. Подобные системы нашли применение и в других конструкциях для размещения пациентов – в частности, в стоматологических креслах и больничных кроватях. В данных случаях уже не требуется использование датчиков обратной связи, поскольку управление системой осуществляется в ручном режиме.
Кресла-коляски с электроприводами
В последние годы также появились кресла-коляски с электроприводами, предназначенные для улучшенной социальной адаптации лиц с ограниченными возможностями. Например, в США разрабатываются и производятся полноприводные кресла-коляски, позволяющие маломобильным группам населения передвигаться и путешествовать наравне со всеми. Внешний вид такого кресла приведён на рисунке 9.
Использование отдельных сервоприводов для каждого колеса позволяет добиться большой манёвренности даже в закрытых помещениях, а также устойчивости, необходимой в сложных условиях (например, в грязи). Как и в медицинских столах, здесь нет необходимости в использовании датчиков, поскольку человек сам управляет движением коляски. Однако, как и в экзоскелетах, приводы должны быть максимально компактными и высокомоментными. В России подобные разработки также ведутся.
Помимо уже упомянутых разработок, находящихся на стыке медицины и робототехники, нельзя не упомянуть такую сферу как роботизированная хирургия, стремительно развивающаяся в последние годы. Нельзя недооценивать важность точного позиционирования рабочих органов робота, что привело к широкому распространению использования сервоприводов.
В данной статье мы рассмотрели применение сервоприводов и электродвигателей в робототехнике и медицине. В этих сферах электродвигатели нашли широкое применение, используемые в качестве самостоятельного устройства и как часть сервоприводов.
ИНЕЛСО является официальным дистрибьютором таких компаний как Assun Motor, Han’s Motion и Fenac Technology, занимающихся производством электродвигателей, редукторов и энкодеров, необходимых для сборки сервоприводов. Кроме того, весной 2023 года компания ИНЕЛСО объявила о запуске собственной линейки сервоприводов под брендом Ферзь, модели которой могут применяться в различных отраслях, в том и числе, и для некоторых применений, описанных в этой статье.
Доступны исполнения сервоприводов с полым и сплошным валом, с различными двигателями и редукторами, с разными видами датчиков на валу двигателя и редуктора, а также есть опции с тормозной муфтой. Широкий выбор компонентов для производства сервоприводов обеспечивает огромную вариативность: в настоящее время существует более 80 000 стандартных комбинаций, но при необходимости возможно доработка привода по ТЗ заказчика.
Материал подготовлен сотрудниками ИНЕЛСО с использованием открытых онлайн источников, был опубликован в журнале "Электроника НТБ", №9, 2023.