O Coração do Movimento do Robô - O Papel Decisivo dos Motores na Precisão

 

Motores como hardware central que impulsiona o movimento do robô

Como fonte de torque de acionamento, os motores são cruciais na aplicação de juntas robóticas. Um motor, comumente referido como "motor", é um dispositivo que converte ou transmite energia elétrica de acordo com a lei da indução eletromagnética, representada pela letra "M" nos circuitos. Sua função principal é gerar torque de acionamento, fornecendo energia para diversos aparelhos elétricos e dispositivos mecânicos.

 

No campo da robótica, o sistema de juntas é um componente fundamental para a realização de diversos movimentos, sendo os motores de juntas considerados a unidade de execução de todo o sistema. Uma junta de robô completa normalmente inclui um driver, controlador e motor de junta. O motor da junta não só precisa realizar tarefas como reduzir a velocidade, transmitir e aumentar o torque, mas também controlar o movimento da junta com alta precisão.

 

O motor articular do robô influencia diretamente ações complexas como caminhar, correr e pular. É conhecido como o "coração" do robô e seu desempenho desempenha um papel decisivo na precisão e eficiência do robô.

 

Motor sem núcleo: a força motriz por trás da tecnologia de juntas robóticas

Nos últimos anos, os motores sem núcleo tornaram-se gradualmente os favoritos no campo da robótica devido às suas características de alta eficiência, peso leve e resposta rápida. Comparados aos motores tradicionais, os motores sem núcleo, com seu rotor adotando uma estrutura de copo oco e inércia extremamente baixa, podem responder com mais sensibilidade aos sinais de controle. Esse recurso é ideal para articulações de robôs, principalmente em cenários que exigem movimentos rápidos e precisos, como robôs humanóides realizando ações sutis ou complexas.

 

História e aplicação generalizada de motores

A história dos motores remonta ao século XIX. Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Ørsted descobriu o efeito magnético das correntes elétricas, lançando as bases para a teoria eletromagnética. No ano seguinte, o cientista britânico Michael Faraday criou o primeiro modelo experimental de motor elétrico. Desde então, a tecnologia motora desenvolveu-se continuamente e gradualmente tornou-se uma parte indispensável da produção industrial e da vida diária.

 

Os motores tradicionais normalmente consistem em um enrolamento de estator, uma armadura ou rotor giratório e outros acessórios. Através do campo magnético rotativo gerado pelo enrolamento do estator, a armadura produz corrente e gira sob a força do campo magnético. Este princípio de design tem sido mantido até hoje, mas os motores de nova geração, como os motores sem núcleo, fizeram avanços revolucionários em materiais e estrutura, fazendo-os brilhar na tecnologia robótica.

 

Gráfico: História do Desenvolvimento de Motores

 

 

Existem vários tipos de motores que podem ser classificados de acordo com diferentes dimensões, como faixa de aplicação, características estruturais e princípios de funcionamento. As principais classificações são as seguintes:

• Por tipo de potência de trabalho: motores DC e motores AC.
• Por estrutura e princípio de funcionamento: incluindo motores DC, motores assíncronos e motores síncronos.
• Por aplicação: motores de acionamento, motores de controle, etc.

 

Tomando como exemplo os motores DC, sua estrutura normalmente consiste no estator e no rotor:

• Estator: A parte fixa do motor que gera o campo magnético.
• Rotor: O componente principal responsável pela rotação e conversão de energia, também chamado de armadura, que é o centro de saída de potência do motor.

Semelhante aos motores CC, os motores CA também consistem no estator e no rotor como componentes principais, além da carcaça e outras peças auxiliares. Sejam motores CC ou CA, a coordenação desses componentes principais determina o desempenho do motor.

 

Na tecnologia robótica, os motores sem núcleo têm se destacado. Seu design exclusivo remove o núcleo de ferro, permitindo que o estator e o rotor se encaixem de maneira mais leve e compacta, o que não apenas reduz a inércia, mas também melhora a velocidade e a eficiência de resposta, tornando-os perfeitos para juntas de robôs de pequeno volume e alta precisão.

 

Motores integrados: a combinação perfeita de tamanho reduzido e eficiência aprimorada

Os motores podem operar como componentes independentes, mas em muitos dispositivos modernos, eles são frequentemente integrados a outras peças para formar sistemas unificados e eficientes. Este design integrado não só reduz o tamanho geral do dispositivo, mas também melhora a utilização do espaço e o desempenho. Por exemplo:

• Acionamento elétrico três em um: a integração de motor, redutor e controlador de motor, amplamente utilizado em veículos elétricos, reduz significativamente o tamanho e o peso do dispositivo.
• Acionamento elétrico seis em um: além do motor, redutor e controlador, inclui conversor DC/DC, carregador e caixa de distribuição, otimizando ainda mais a utilização do espaço.
• Acionamento elétrico oito em um: Integra ainda mais o sistema de gerenciamento de bateria e o controlador do veículo, fornecendo uma solução mais compacta e eficiente para veículos elétricos.

No campo dos robôs humanóides, a aplicação de motores sem núcleo não apenas realiza a condução de alta precisão das juntas do robô, mas também promove o design leve e compacto da estrutura do robô. Por exemplo, a integração de um motor sem núcleo com um redutor e controlador pode efetivamente reduzir a ocupação do espaço articular e, ao mesmo tempo, melhorar a velocidade de resposta e a confiabilidade geral do sistema.

 

Na tecnologia robótica, a escolha do motor determina diretamente o desempenho e a eficácia da aplicação do equipamento. Os motores comumente usados ​​em robôs incluem principalmente os três tipos a seguir: motores DC, servo motores e motores de passo.

 

3.1 Motores CC

Os motores DC são amplamente utilizados em vários campos e são divididos principalmente em dois tipos: motores DC com escovas e motores DC sem escovas.

 

3.1.1 Motores CC escovados

Os motores DC escovados são uma tecnologia de motor anterior, com as seguintes características:

• Estrutura simples, baixo custo: Confie no contato entre escovas e rotor para atingir a função de comutação.
• Baixos requisitos de acionamento: A velocidade do motor é diretamente proporcional à tensão aplicada, portanto o controle é mais intuitivo.

 

Desvantagens:

• O desgaste das escovas leva à necessidade de manutenção frequente.
• A interferência eletromagnética é facilmente gerada durante a operação, com confiabilidade relativamente baixa.
• Vida útil mais curta, tornando-o menos atraente no design do robô.

 

3.1.2 Motores CC sem escovas

Os motores DC sem escova são uma versão atualizada dos motores DC, destacando-se em vários aspectos:

• Uso de ímã permanente: Durável, tamanho pequeno e custo relativamente baixo.
• Comutação eletrônica: Substitui as escovas tradicionais para obter comutação de campo magnético, melhorando a eficiência e a confiabilidade.
• Controle preciso: por meio de sensores de feedback de posição (como sensores Hall, codificadores ópticos ou dispositivos de detecção de EMF traseiro), os motores CC sem escovas podem controlar a velocidade e a posição com mais precisão.

 

Embora o circuito de controle seja mais complexo, os motores CC sem escovas superam significativamente os motores com escovas em desempenho e vida útil, tornando-os o tipo de motor preferido para acionamentos conjuntos de robôs. Particularmente, os motores CC sem escovas e sem núcleo, com sua alta eficiência, baixa inércia e resposta rápida, são especialmente adequados para aplicações robóticas que exigem alta precisão e design leve.

3.2 Servomotores

Servomotores, também conhecidos como motores atuadores, são os principais componentes de execução em sistemas de controle automático. Suas características incluem:

• Posicionamento de alta precisão: Alcança deslocamento angular ou saída de velocidade angular no eixo recebendo sinais de pulso.
• Controle de malha fechada: Os servomotores podem enviar sinais de pulso correspondentes ao ângulo de rotação, formando um sistema de malha fechada combinando sinais de entrada, obtendo assim um controle de rotação preciso.
• Classificação DC e AC: Os servo motores são divididos em servo motores DC e servo motores AC. Embora existam pequenas diferenças nos cenários de desempenho e aplicação, ambos podem ajustar com precisão a velocidade e a posição com base nos sinais de controle.
• As características de alta precisão dos servomotores os tornam amplamente utilizados em operações de precisão de efetores finais robóticos, como braços robóticos e dedos robóticos.

3.3 Motores de passo

Os motores de passo são componentes de controle de malha aberta que convertem sinais de pulso elétrico em deslocamento angular ou deslocamento linear. Suas características incluem:

• Controle de passo: Cada vez que um sinal de pulso é recebido, o motor gira em um ângulo fixo de acordo com o ângulo de passo definido.
• Não há necessidade de circuito fechado: os motores de passo podem obter controle preciso do deslocamento angular por meio de sinais de pulso elétrico contínuos sem feedback de posição.
• Econômico: Comparados aos servomotores, os motores de passo são mais baratos e adequados para aplicações com requisitos de precisão mais baixos.
• Os motores de passo são comumente usados ​​em componentes de baixo custo em estruturas de robôs, como juntas simples, acionamentos de correia transportadora e muito mais.

 

O robô humanóide Tesla Optimus usa 28 atuadores, sendo 14 atuadores lineares e 14 atuadores rotacionais. Esses atuadores são responsáveis ​​por apoiar o robô na execução de ações complexas, como marcha e preensão. De modo geral, os robôs bípedes precisam ser equipados com servo motores de 30 a 40 CC, que são de tamanho compacto e devem atender aos requisitos de alta potência, alta densidade e resposta rápida.

 

A Optimus utiliza três tipos de atuadores lineares e três tipos de atuadores rotacionais. Entre eles, os atuadores lineares incluem motores de torque sem núcleo e parafusos de esferas planetários, enquanto os atuadores rotacionais combinam motores de torque sem núcleo e redutores harmônicos. A distribuição específica dos atuadores é a seguinte:

• Ombro: 6 atuadores rotacionais
• Cotovelo: 2 atuadores lineares
• Pulso: 2 atuadores lineares rotacionais + 4
• Torso: 2 atuadores rotacionais
• Quadril: 4 atuadores lineares rotacionais + 2
• Joelho: 2 atuadores lineares
• Tornozelo: 4 atuadores lineares

Esta distribuição do atuador garante a flexibilidade e estabilidade do robô em ambientes complexos.

 

Um motor de torque sem núcleo é um servo motor leve e de alta eficiência, projetado especificamente para juntas robóticas e outras aplicações de precisão. Sua estrutura exclusiva oferece os seguintes recursos notáveis:

• Design modular, fácil de integrar: O motor de torque sem núcleo consiste em um estator e um rotor, sem a tradicional carcaça do motor. Este projeto permite que os engenheiros personalizem a carcaça, os rolamentos e os componentes do sensor de acordo com suas necessidades, tornando-os adaptáveis ​​a diversas estruturas do sistema.
• Tamanho compacto, leve: Comparado aos motores com carcaça, o motor sem núcleo reduz significativamente o tamanho e o peso geral, tornando-o ideal para sistemas que exigem soluções integradas.
• Alto desempenho e resposta rápida: Devido ao seu design exclusivo, o motor sem núcleo oferece resposta dinâmica rápida, atendendo às demandas de movimento articular de alta precisão e eficiência energética dos robôs modernos.

Graças a essas características, o motor de torque sem núcleo é amplamente utilizado em campos de condução de alto desempenho, incluindo robótica, automotivo, aeroespacial e equipamentos médicos.

 

O motor copo sem núcleo é um componente chave das mãos hábeis do robô humanóide, particularmente adequado para articulações de dedos em cenários que exigem espaço limitado e alta precisão. As articulações dos dedos normalmente precisam de motores miniaturizados que fornecem força substancial, garantindo leveza e alta precisão. Os principais fabricantes de robôs, como a Tesla, adotam amplamente a solução de motor de copo sem núcleo, fornecendo suporte de energia ideal para a destreza manual do robô.

 

Principais vantagens dos motores Coreless Cup

Design sem engrenagens, melhora a precisão e operação suave: O motor de copo sem núcleo adota um design sem núcleo e sem engrenagens, eliminando completamente a vibração e o ruído causados ​​pelo efeito de engrenagens visto em motores tradicionais. Esta característica melhora significativamente a suavidade da operação do motor, tornando-o excepcionalmente adequado para controle de movimento de alta precisão em articulações de dedos de robôs humanóides.

 

Alta eficiência e resposta rápida: O motor copo sem núcleo rompe a estrutura tradicional do motor com núcleo de ferro, adotando um design de rotor sem núcleo, reduzindo significativamente as perdas por correntes parasitas e melhorando a eficiência do motor. Enquanto isso, a leveza do rotor proporciona excelentes capacidades de partida e frenagem, oferecendo desempenho de resposta dinâmica que atende às demandas precisas de ações complexas.

 

Economia de energia e confiabilidade: Ao eliminar a perda de energia encontrada em motores com núcleo de ferro, o motor copo sem núcleo demonstra um desempenho excepcional de economia de energia. Além disso, sua estrutura simplificada reduz o atrito mecânico, aumentando ainda mais a vida útil e a confiabilidade, garantindo desempenho estável mesmo em operações de alta frequência.

 

Aplicação flexível em cenários miniaturizados: Com seu tamanho compacto e design leve, o motor copo sem núcleo é ideal para unidades de movimento em miniatura, como articulações de dedos e punhos em robôs humanóides. Além disso, seu design sem engrenagens e sua alta eficiência o tornam amplamente aplicável em áreas como equipamentos médicos, instrumentos de precisão e aeroespacial.

 

Desenvolvimento Tecnológico e Perspectivas Futuras

O motor copo sem núcleo, integrando eficiência energética, alta precisão e estabilidade, representa um dispositivo de conversão de energia de alto desempenho. À medida que a tecnologia robótica continua a avançar, o motor copo sem núcleo otimizará ainda mais a produção de potência e a relação de volume, empurrando as mãos hábeis do robô humanóide para aplicações mais eficientes em diversos cenários.

 

Continuar lendo:Por que os robôs humanóides abrem um novo oceano azul para aplicações de motores sem núcleo - Parte 1