Двигатели для робота входят в состав приводов. Мы узнали о робототехнике в целом на шаге первом. На втором шаге решили, какого робота мы будем делать. Нам нужно установить приводы, которые заставят робота двигаться.
Выбор двигателя для робота напрямую зависит от задач, которые должен выполнять робот. Двигатель (мотор) может входить в состав привода или отдельно быть приводом.
Привод может быть определен как устройство, которое преобразует энергию (в робототехнике это, как правило, электрическая энергия) в физические движения.
Подавляющее большинство приводов производят либо вращательное или линейное движение. Например, мотор — это тип привода. Правильный выбор приводов для вашего робота требует понимание того, что приводы доступны. Возможно, немного фантазии, и немного математики и физики.
Приводы вращения — это тип приводов преобразования электрической энергии во вращательное движение.
Двигатель переменного тока
Двигатель переменного тока (AC) редко используется в мобильных роботах. В первую очередь потому, что большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи. Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях, где требуется очень высокий крутящий момент. Прежде всего там, где моторы подключены к электросети.
Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока MotorDC моторы имеют разнообразные формы и размеры. Хотя большинство из них цилиндрические. Они имеют выходной вал, который вращается на высоких скоростях, обычно в 5 000 до 10 000 оборотов в минуту. Хотя двигатели постоянного тока очень быстро вращаются, большинство из них не очень мощные. Такие двигатели для робота имеют низкий крутящий момент.
Для того, чтобы снизить скорость и увеличить крутящий момент, могут быть добавлены редукторы. Чтобы установить двигатель на робота, нужно закрепить корпус двигателя на раме робота. По этой причине двигатели для робота часто имеют монтажные отверстия, которые обычно располагаются на лицевой стороне двигателя. Следовательно, они могут быть установлены перпендикулярно к поверхности.
Двигатели постоянного тока могут работать по часовой стрелке (CW) и против вращения часовой стрелки. Угловое движение вала может быть измерено с помощью энкодеров или потенциометров.
Это двигатель постоянного тока в сочетании с коробкой передач. Она работает, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент. Например, двигатель постоянного тока вращается со скоростью 10000 оборотов в минуту и достигает 0.001 Н*м крутящего момента. Если добавить понижающую передачу 100:1 (сто к одному) мы снизим скорость в 100 раз. В результате 10000 / 100 = 100 об / мин и увеличим крутящий момент в 100 раз (0.001 х 100 = 0.1 Н*м).
Основные виды понижающих передач это:
- зубчатая передача
- ременная
- планетарная
- червячная
Червячная передача позволяет получить очень высокое передаточное число с помощью всего одного этап. И также не дает выходному валу двигаться, если двигатель не работает.
Серводвигатель
Тип используемого вами двигателя зависит от типа движения, которое вы хотите.
R / C или хобби сервомотор
Часто сервомоторы этого типа могут поворачиваться на угол до 180 градусов. Они поворачиваются на определенный угол поворота. И часто используются в более дорогих моделях дистанционного управления средствами для управления или контроля полета.
Теперь они используются в различных приложениях. Цены на эти сервоприводы значительно сократилось, и разнообразие (разные размеры, технологии и сила) увеличилось. Общим фактором для большинства сервоприводов заключается в том, что большинство использует только поворот около 180 градусов.
R / C сервомотор включает в себя двигатель постоянного тока, редуктор, электронику и роторный потенциометр, который и измеряет угол
Электроника и потенциометр работают синхронно, чтобы управлять двигателем и останавливать выходной вал по заданному углу. Эти моторы обычно имеют три провода: земля, напряжение В, и управляющий импульс. Управляющий импульс, как правило, снимается с регулятора мотора сервопривода. Хобби сервомотор — это новый тип сервопривода. Он предполагает непрерывное вращение и обратную связь по положению. Все сервоприводы могут вращаться как вправо, так и влево.
Промышленные серводвигатели
Промышленный серводвигатель с приводом управляется иначе, чем хобби мотор и чаще встречаются на очень больших машинах. Промышленный сервомотор обычно трехфазный и состоит из двигателя переменного тока, редуктора и энкодера. Установленный энкодер обеспечивает обратную связь по угловому положению и скорости.
Эти моторы редко используются в мобильных роботах из-за их веса, размеров, стоимости и сложности. Вы можете увидеть промышленные серводвигатели на мощный промышленных манипуляторах. Возможно их использование на очень больших роботизированных автомобилях.
Шаговые двигатели
Шаговый двигатель вращается на определенные “ступени” (на самом деле, конкретные градусы). Число ступеней и размер шага зависит от нескольких факторов. Большинство шаговых двигателей не включает в себя передачи. Так как это двигатели постоянного тока и вращающий момент низок.
Правильно настроенный шаговый двигатель может вращаться вправо и влево и может быть установлен в требуемое угловое положение. Есть однополярные и биполярные типы шаговых двигателей. Одним заметным недостатком шаговых двигателей является то, что если мотор не работает, трудно быть уверенным в угле пуска двигателя.
Если добавить передачу, то шаговый двигатель имеет тот же самый эффект, как и добавление передачи на двигатель постоянного тока: Он увеличивает крутящий момент и снижает угловую скорость. Поскольку скорость уменьшается на передаточное отношение, то размер шага также уменьшается на тот же фактор.
Линейные приводы
Линейный привод производит линейное движение (движение вдоль одной прямой линии) и имеют три основные отличительные механические характеристики.
- Минимальное и максимальное расстояние, на которое стержень может сдвинуть вал (в мм или дюймах)
- Их сила (в кг или фунты)
- Их скорость (в м/с или дюйм/с)
DC Линейный Привод
Линейный DC привод часто состоит из двигателя постоянного тока, подключенного к червячной передаче. Когда двигатель вращается, то крепление на винте будет либо ближе или дальше от двигателя. По существу червячная передача преобразует вращательное движение в линейное движение.
Некоторые линейные приводы постоянного тока включают в себя линейный потенциометр, который обеспечивает линейную обратную связь. Для того, чтобы остановить привод от полного разрушения, многие производители включают концевые выключатели на обоих концах. Как правило, для отключения электропитания привода при нажатии на них. Линейные приводы постоянного тока бывают в самых разнообразных размеров и типов.
Соленоид состоит из катушки намотанной вокруг подвижного сердечника. Когда катушка находится под напряжением, сердечник отталкивается от магнитного поля и производит движения в одном направлении. Несколько катушек или некоторые механические механизмы потребуются для того, чтобы обеспечить движение в двух направлениях.
Соленоиды обычно очень маленькие, но их скорость очень большая. Сила зависит в основном от размера катушки и от того какой силы ток идет через него. Этот тип привода используется в клапанах или системах фиксации. В таких системах, как правило, нет обратной связи по положению (сердечник либо полностью убирается или полностью выдвинут).
Пневматические и гидравлические приводы
Пневматические и гидравлические приводы с помощью воздуха или жидкости (например воды или масла), служат для того чтобы двигаться линейно. Эти типы приводов могут иметь очень длинный ход, большую мощность и высокую скорость.
Для того чтобы эксплуатироваться они требуют использование жидкости компрессора. Это делает их более сложными в эксплуатации, чем обычные электрические приводы. Они имеют большую мощность, скорости и, как правило, большой размер. И в первую очередь используются в промышленном оборудовании.
Выбор привода
Важно отметить, что постоянно появляются новые и инновационные технологии, и нет ничего постоянного. Также обратите внимание, что один привод может выполнять очень разные задачи в разных условиях. Например, с различной механикой. Привод, который производит линейное движение, может быть использован для поворота объекта и назад (как у автомобильных щеток для очистки стекла).
Роботы с колесами или гусеницами
Приводные двигатели для робота должны перемещать вес всего робота и, скорее всего, потребуется понижающая передача. Большинство роботов используют притормаживание колесами одного борта. В то время как автомобили или грузовики, как правило, используют рулевое управление.
Если вы выберете бортовой поворот, то DC моторы с редуктором являются идеальным выбором для роботов с колесами или гусеницами. Ведь они обеспечивают непрерывное вращение, и могут иметь необязательную обратную связь по положению с помощью оптических энкодеров. Их очень легко программировать и использовать.
Если вы хотите использовать рулевое управление, то вам понадобится один приводной двигатель и один двигатель, чтобы управлять передними колесами. Поворот ограничен определенным углом и можно применить R / C сервомотор.
Мотор используется, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес. Подъем веса требует значительно больше энергии, чем перемещение веса на плоской поверхности. Скорость должна быть принесена в жертву для того, чтобы получить крутящий момент.
Поэтому лучше всего использовать редуктор с высоким передаточным отношением и мощный двигатель постоянного тока или линейного привода DC. Можно рассмотреть возможность использования системы (либо червячных передач, или струбцин). Что предотвращает груз от падения в случае потери управления.
Сервоприводы двигателей
Используются если диапазон ограничен до 180 градусов и крутящий момент не является существенным. Р/С мотора сервопривода идеально подходит для таких задач. Серводвигатели предлагаются с различными крутящими моментами и размерами и обеспечивают угловые обратной связи по положению.
Лучше использовать потенциометр, и некоторые специализированные оптические энкодеры. Р/С сервоприводы используются все больше и больше для создания небольших шагающих роботов.
Шаговые двигатели
Используются, когда угол поворота должен быть очень точными. Шаговые двигатели для робота в сочетании с контроллером шагового электродвигателя могут дать очень точное угловое движение. Иногда предпочтительнее серводвигатели, поскольку они обеспечивают непрерывное вращение. Однако, некоторые профессиональные цифровые серводвигатели используют оптические энкодеры. В результате они обладают очень высокой точностью.
Линейные приводы
Линейные приводы являются лучшими для перемещения объектов и расположения их по прямой линии. Они отличаются разнообразием размеров и конфигураций. Для очень быстрого движения можно рассматривать пневматику или соленоиды. Для очень высоких мощностей можно рассматривать линейные приводы постоянного тока и также гидравлику.
Практический пример
- В уроке 1 мы определили цель нашего проекта, чтобы понять какого типа мобильного робота можно сконструировать при небольшом бюджете.
- В уроке 2 мы решили, что мы хотели небольшую платформу на колесах. Во-первых, давайте определим тип привода, который потребуется для создания робота.
Для этого нужно ответить на пять вопросов :
- Это привод используется для перемещения колесного робота?
Да. Нужен мотор-редуктор с управлением при помощи притормаживания одного борта. Это означает, что каждое колесо будет нужно оснастить собственным мотором. - Двигатели для робота используются, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес?
Нет, настольная платформа не должна быть тяжелой. - Диапазон движения ограничивается на 180 градусов?
Нет, колеса могут постоянно вращаться. - Угол должны быть точными?
Нет, наш робот не требует позиционной обратной связи. - Это движение по прямой?
Нет, поскольку мы хотим, чтобы робот вращаться и двигаться во всех направлениях.
Всем этим требованиям соответствует большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Технические характеристики большого мотора EV3
Как выбрать подходящие двигатели для колесного робота? Ответить точно на этот вопрос в начале конструирования робота непросто. Для этого нужно знать вес робота, а он еще не построен. Однако, технические характеристики и размеры двигателей значительно влияют на окончательные параметры мобильного робота. Для того, чтобы получить полную информацию, необходимо учесть вращающий момент, скорость и мощность. Для колесного робота также необходимо подобрать диаметр колес и определить правильное передаточное число зубчатой передачи для расчета скорости его движения.
Крутящий момент
Крутящий момент двигателя - это сила, с которой он воздействует на вращаемую ось. Для того, чтобы робот мог двигаться, необходимо, чтобы эта сила превышала вес робота (выражаемый в Н/м ).
Некоторые употребляют вместо понятия крутящий момент , термин вращающий момент . По сути это одно и то же. И то и другое являются моментами, просто в технике крутящий момент — это нагрузка на колесе, а вращающий момент — нагрузка в технической науке под названием «Сопротивление материалов» .
Рассмотрим сильно упрощенную идеализированную модель колесного робота.
В нашем случае, вес робота равен 1кг , и мы хотим добиться максимальной скорости его движения 1м/с при радиусе колеса равном 20мм .
При движении по прямой на расстояние 1м , рассчитаем ускорение, необходимое для достижения скорости в 1м/с .
где — расстояние, пройденное роботом, — его начальная скорость (стартуем с места, поэтому ),
где — скорость робота, -его ускорение.
Подставим значения, принятые в нашей модели, получим
м/с 2
Вращающий момент, который необходим для перемещения робота и получения им ускорения, необходимого для достижения максимальной скорости рассчитывается следующим образом:
При — момент инерции и — угловое ускорение, получим
Здесь м/с 2 — ускорение свободного падения (округлим его до 10), — радиус колеса, — масса всего робота
Подставив значения, получим
мН·м
Для перевода величины, выраженной в Н·м в кг·см нужно учесть, что 1Н = 0.102 кг и 1м = 100 см. Поэтому 50 мН·м = 50 · 0.102: 1000 * 100 = 0.51 кг · см.
Полученный крутящий момент распределяется между двумя двигателями робота и его еще нужно поделить на передаточное число используемой зубчатой передачи (подробнее про зубчатые передачи можно почитать ).
Мощность
Для расчета максимальной мощности двигателей нам понадобится частота вращения, которая выражается в оборотах в минуту
(об/мин ) =
или в радианах в секунду
(рад/с ) =
через круговую частоту
Подставив радиус колеса, получим
рад/с
об/мин .
Мощность двигателей пропорциональна крутящему моменту и частоте вращения:
Подставив сюда формулы для крутящего момента и частоты, получим:
Используя собственные значения, получим
Опять же, мы получили суммарную мощность для всех двигателей, в нашем случае двигателя два, поэтому необходимо разделить результат на два и, как и в случае с расчетом крутящего момента, если используются зубчатые передачи, разделить на передаточное число зубчатых передач.
Отличительной особенностью приводов роботов является наличие управления. Это означает, что система управления должна обеспечивать на выходе как можно точнее задаваемый параметр: момент, скорость, положение, ускорение. Иногда, возможны их сочетания, например распространены СУ с контурами скорости и положения, некоторые имеют возможности ограничения момента, а также задания ускорения (как правило стартового и финишного).
У нас в стране приводами занимаются такие компании, как:
Я не рассматриваю многие компании, которые занимаются продажей асинхронных двигателей. Наиболее доступны приводы в НПФ Электропривод, но и этот ассортимент, как увидим потом, не покрывает потребностей мобильной робототехники. Для начала рассмотрим типы доступных приводов (на примере продукции НПФ Электропривод):
1. Шаговый двигатель . Это наиболее простой в управлении, высокомоментный, доступный и дешевый тип привода, в простейшем случае не требующий обратной связи. Его главными недостатками являются:
Возможный пропуск шагов под нагрузкой
Резонансные частоты и сопутствующий пропуск шагов
Ограниченная динамика, при превышении которой происходит срыв синхронного движения.
Это тот тип приводов, с управления которыми стоит начать, потому, что имеют простое управление и доступны как готовые драйвера и СУ, так как и отработанные схемы драйвер+ключи, занимающие не так много места на плате.
Стоит отметить появления "умных" шаговых приводов, где уже интегрировано управление (а иногда и есть обратная связь, что повышает динамику). Но стоят совершенно необоснованно дорого.
1.FL20STh, FL28STH
- Момент: от 0.18 до 1.2 Кгс (напомню, 9.88 Кгс=1 Нм)
Стоимость: около 1000 руб
Фазовые токи от 0.6А до 0.95 А
Фланец 20 или 28 мм (В обозначение двигателя первые цифры это размер фланца, STH означает - высокомоментые, затем идет длина двигателя, затем через тире обозначение вида 2804, где 280 - 2.8 А, фазовый ток, 4-число выводов, пример FL57STH56-2804)
Длина от 30мм до 51мм
4х и 6ти выводные
Этот агрегат - один из наиболее компактных ходовых шаговых двигателей. Такие двигатели вряд ли пригодны для движения робота, но очень хороши для исполнительных механизмов. В мы использовали его для движения конвееров. У нас возникла проблема с перегревом этого двигателя, которая решилась более точной уставкой по току драйвера. (Об этом чуть позже).
2. FL35ST, FL39ST
- Статический момент 0,5 -2,9 кгс*см
Стоимость: около 900 руб
Фазовые токи от 0.16А до 0.65 А
Длина от 20мм до 38мм
4х и 6ти выводные
Еще один тип компактных шаговиков. Эта модель отличается малой длиной, 20мм - это самые короткие ходовые двигатели из ассортимента. Эту модель я не использовал. Но это именно тот вариант, когда нужна малая длина двигателя для вспомогательных операций.
-
Крутящий момент до 4,4 кгс*см,
Стоимость от 900 до 1100 руб
Длина от 25 до 61 мм
Фазовые токи: от 0.3А до 1.68А
4х и 6ти выводные
Одна из самых популярных моделей двигателей. Таким уже вполне можно как рулить вашей машиной, так и выполнять вспомогательные операции. Диапазон фазовых токов позволяет его использовать совместно с дешевой связкой L293+L298, если речь о встроенном в плату управлении (а больше тут и не нужно).
4. FL57ST и FL57STH. Гибридные шаговые двигатели. Названы так из-за добавок в магниты, увеличивающих момент. Напомню, что момент зависит от тока в обмотке и от силы постоянных магнитов.
- Аналоги ДШИ-200, кр. момент 2,88-18,9 кгс*см
Есть возможность определять скорость по противоЭДС. Может быть полезно для дешевых решений без обратной связи.
ПИД регулятор по скорости.
В версии с контуром положения доступна настройка скоростной характеристики (трапеция)
По этой плате будет большая статья с кодом, обсуждением достоинств и недостатков. Стоить отметить, что версия с контуром скорости имеет свой протокол, поэтому нам пришлось написать для него реализацию.
Вывод : ДПТ позволяют увеличить динамику мобильного робота. Вместе с этим растет и цена вопроса. Практика показывает, что экономить на двигателе - самый неправильный вариант.
Сервомашинки :
Еще один агрегат из разряда моделизма. Внутри, как правило, имеют тот же ДПТ, обратная связь выполнена в виде переменного резистора. Используются для точных перемещений исполнительных механизмов робота. Про вопросы управления подробно описал товарищ DiHalt в своей статье . Также он же отлично описал, как управлять сразу несколькими сервомашинками с помощью одного таймера . Рассмотрим на примере MG995 (доступна в dealextreme.com за 290 руб).
- Напряжение питания - от 4.5 до 6 вольт
Момент до 1 Нм.
Металлический редуктор.
Угол поворота - 180 градусов.
Токи потребления - до 400 мА.
Мы купили сразу несколько таких штучек, так как они дешевые. Шли около месяца. Из недостатков - разброс параметров. При одинаковом значении скважности разные сервы могут иметь разные углы поворота. Для питания я обычно ставлю отдельный источник 5В до 3А, например вот такой:
- Вход 18-36 вольт, выход 5 вольт
Ток до 3А
Защита от КЗ, переполюсовки
Фильтр по питанию
Стоимость 400 руб
Монтаж на плату
Проверял на 8 сервах MG995 без нагрузки и на 4 с полной нагрузкой. Токоотдачи хватает.
Серва MG995 относится к среднему классу мощности, для особых случаев, думаю будет полезна следующая модель:
- Размер:67.9x30.2x56мм
- Скорость (4.8V): 0.20с/60 градусов
- Скорость(6V): 0.16с/60 градусов
- Минимальный момент (4.8V): 22 кг*см
- Максимальный момент (6V):25 кг*см
- Напряжение: 4,8 - 6 Вольт
- Стоимость около 1200 руб
- Мощнее сервы я не встречал, использовалась нами в , имеет пластиковый редуктор.
Ассортимент сервомашинок очень широк. Основные производители: Hitec, Futaba, Robo, TowerPro. Futaba относится к более дорогому и качественному типу приводов. Наиболее доступны и дешевы Hitec и TowerPro.
Вывод : Сервомашинки - доступный, сравнительно дешевый и простой в управлении исполнительный механизм. Для них доступны дешевые источники питания.
Заключение : Мною были рассмотрены большинство приводов, с которыми мне пришлось столкнуться. Но в статье отсутствует класс безколлекторных моторов, с которыми у меня нет опыта работы. БДПТ являются следующим шагом развития приводов. Именно на них сейчас активно переходят в автоматизации и робототехнике благодаря отсутствию щеточного узла и, как следствие, увеличенного ресурса. Однако управление ими уже сложнее. Думаю, спустя некоторое время этот тип приводов также получит описание в статье.
Роботостроение и создание различных систем автоматики вызывает большой интерес не только у профессионалов, но и у начинающих радиолюбителей.
Стремительный рост технологий отразился на современном рынке радиоэлектронных компонентов. Огромный выбор различных микроконтроллеров, датчиков, реле, плат-расширения позволяет подобно конструктору создать сложное техническое решение в домашних условиях.
Если раньше для создания и внедрения системы «Умный дом» необходимо было обращаться в специализированные фирмы, то сейчас большинство элементов можно собрать самостоятельно. Любительская робототехника не отстает от промышленных образцов. Собранный домашний робот будет ездить по заданной траектории, заряжаться от солнечной панели, измерять температуру/влажность окружающей среды, производить фотографирование местности. Это далеко не полный перечень того, что можно добавить, но данная модель уже похожа по функциональности и логике, например на космический аппарат Curiosity, который исследует планету Марс.
В наши дни стали снова возрождаться радиотехнические кружки, где под руководством опытных учителей, молодое поколение осваивает роботостроение. Это не только развлечение, но и большая умственная работа, требующая знания математики, физики, информатики.
Многие работы можно найти в сети Интернет. Некоторое заслуживают отдельного внимания:
Рассмотрим основные моменты, которые понадобятся нам при проектировании и сборке робота.
Планирование бюджета
Работы по проектированию и сборке робота начинаются с планирования бюджета. В зависимости от функциональности и используемой технической базы конечная стоимость робота может быть высокой.
Для большинства проектов можно использовать не только оригинальные запчасти, но и их аналоги(копии). Это значительно удешевит проект. Многие предпочитают заказывать детали в Китайских интернет-магазинах. Стоимость заказа с бесплатной доставкой выглядит более привлекательно, чем покупка этих же деталей, но с большой наценкой в России.
Выбор платформы робота
Самыми распространенными и недорогими платформами являются колесные
и гусеничные
. Для данных платформ существует множество готовых компонентов, поэтому они идеально подойдут в качестве начального проекта.
Колесная платформа может иметь любое количество колес. Наиболее распространенные — трех и четырех колесные модели (2WD, 4WD). Из-за небольшой площади соприкосновения с поверхностью колесная платформа может проскальзывать.
Для уменьшения потери сцепления можно использовать резиновые шины.
Повышенной проходимостью обладают гусеничные платформы
. Они исключают скольжение, могут преодолевать различные искусственные и природные препятствия. Недостатком платформы является сложная механическая установка.
Роботы с конечностями
могут стабильно перемещаться по очень неровным поверхностям. Но самым главным недостатком данной платформы является сложность кодирования и высокая конечная стоимость.
Современный рынок предлагает множество готовых решений воздушных роботов. Особой популярностью пользуются квадрокоптеры
и вертолеты
. 
Воздушные роботы идеально подходят для наблюдения и съемки поверхности с высоты, исследования труднодоступных мест. Некоторые компании активно ведут разработку и возможность использования воздушных платформ для доставки товаров. Существенный недостаток воздушной платформы — это частичная, а в большинстве случаев, полная потеря всей конструкции при аварии.
Для увеличения функциональности существующих видов платформ используют различного рода манипуляторы
. Манипуляторы могут быть снабжены как одной так и десятком уникальных степеней свободы.
Водные платформы
не получили широкого распространения. В основном используются в научных и промышленных сферах.
Выбор двигателя для робота
Для приведения в движение большинства из рассмотренных выше платформ необходим двигатель (электромотор). Это устройство которое преобразует электрическую энергию в механическую. Выбор двигателей зависит от способа передвижения робота. 
Для колесных или гусеничных платформ подойдет мотор-редуктор постоянного тока
. Редуктор в данном случае позволяет регулировать крутящий момент. Вал с обеих сторон мотора позволяет установить энкодер, который помогает определять угол поворота и пройденное расстояние колесом. Мощность двигателя рассчитывается исходя из веса самого робота.
Шаговой двигатель
осуществляет перемещение равными шагами. Шаговые двигатели управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Данный вид двигателя ставится в роботах, где необходим предельно точный угол движения.
Сервомотор
состоит из двигателя постоянного тока, редуктора, электроники и поворотного потенциометра, который измеряет угол. Угол вращения составляет примерно 180 градусов. Сервомоторы обычно используют в роботах-манипуляторах, роботах с конечностями.
На практике многие модели роботов содержат разные типы двигателей. Для централизованного управления используются драйверы двигателей (Motor shield).
Выбор контроллера (драйвера) двигателей
Для преобразования управляющих сигналов малой мощности в токи, достаточные для управления моторами используют драйверы двигателей (Motor Shield)
Драйвер двигателя может только определить скорость и направление движения мотора, но не может управлять ими непосредственно из-за ограниченной выходной мощности. Поэтому использование драйвера двигателя без микроконтроллера невозможно. Логика современных драйверов двигателей позволяет управлять различными типами моторов как по раздельности, так и одновременно. При выборе драйвера необходимо обращать внимание на номинальное напряжение и силу тока. 
В характеристиках обычно указывается диапазон входного напряжения и сила тока, на который он рассчитан. Несмотря на встроенные системы защиты от перегрузок не стоит подключать 5В двигатель к 3В контроллеру.
Выбор контроллера (драйвера двигателей) необходимо делать после того, как будет определен и утвержден тип двигателей, которые планируется установить в роботе.
Выбор системы управления
Существует несколько способов управления роботом:
Проводное управление
Самый простой способ управления роботом — проводной. Пульт управления соединяется с роботом при помощи кабеля. Не требует сложных электронных компонентов. Существенным недостатком является ограниченное перемещение. Дальность управления целиком зависит от длины кабеля. слишком длинный кабель будет постоянно цепляться и запутываться.
Беспроводное управление
Инфракрасный сигнал
Для управления роботом используется пульт. В некоторых случаях можно настроить обычный ТВ-пульт. На роботе устанавливается ИК-датчик, который подсоединяется к микроконтроллеру и передает ему управляющие сигналы. Как и при использовании пульта к ТВ, управление роботом может осуществляться на ограниченном расстоянии в прямой видимости ИК-датчика.
Bluetooth
При использовании технологии Bluetooth управление роботом становиться возможным при помощи Bluetooth-совместимых устройств (планшет, мобильный телефон, компьютер). Нет необходимости находится в прямой видимости передатчика, хотя Bluetooth имеет ограниченный диапазон работы (около 10-15 м).
Управление роботом может осуществляться из любого места, где есть доступ к сети Интернет. Необходимо только подключение wi-fi модуля робота к роутеру, имеющим выход в сеть Интернет.
GPRS/GPS
GPS используется для обнаружения расположения робота. При помощи навигации можно рассчитать курс и расстояние маршрутной точки.
GSM платы предоставляют возможность звонить и принимать звонки с других телефонов, отправлять SMS на заданный номер при нажатии на определенную кнопку. Таким образом отправляя SMS с своего мобильного телефона мы сможем передавать роботу команды через GSM сеть. При этом сам робот может находится в любой точке где есть покрытие GSM сети.
Выбор микроконтроллера
Как мы все уже знаем микроконтро́ллер это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Он представляет из себя однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Для взаимодействия с внешним миром микроконтроллер снабжен контактами, на которых электрический сигнал может быть включен (1) или выключен (0). Выводы могут быть использованы для чтения электрических сигналов, поступающих от различных устройств и датчиков.
Современные микроконтроллеры имеют интегрированный регулятор напряжения. Это позволяет микроконтроллеру работать в широком диапазоне напряжений, который не требуют от нас подачи точного рабочего напряжения.
Существует великое множество микроконтроллеров, которые могут быть использованы, но широкое распространение в наши дни получила аппаратная платформа Arduino. 
Из-за кросс-платформенности, низкой стоимости, открытой архитектуре и простоте языка программирования Arduino стала пользоваться огромной популярностью среди новичков и профессионалов.
Популярные проекты где применяется платформа Arduino — это построение простых систем автоматики и робототехники. С помощью данной платформы можно организовать умный дом, построить домашнюю метеостанцию, освоить роботостроение.
Телеметрия
Для изучения и измерения окружающего мира вокруг робота используются всевозможные виды датчиков. С их помощью мы сможем узнать местоположение нашего робота, определить расстояние до объектов, измерить температуру/влажность/давление, сделать снимок местности и т.д.
Правильно подобранная плата расширения значительно упростит процесс добавления новых видов датчиков и избавит нас от необходимости изменения заложенной логики на этапе проектирования.
Рассмотрим основные виды датчиков, доступные по цене и простоте программирования:
Датчики пространства
Ультразвуковой дальномер
Источник ультразвука испускает импульсный сигнал, а приемник улавливает отражения сигнала от различных препятствий. 
Расстояние до объекта определяется на основании анализа времени прохождения сигнала туда и обратно. В отличие от инфракрасных дальномеров на ультразвуковой датчик не влияют источники света или цвет препятствия. Самый популярный ультразвуковой дальномер для радиолюбителей — HC-SR04. Он способен измерять расстояние в диапазоне от 2 до 450 см.
ИК-датчик расстояния
Принцип работы состоит в анализе отраженного инфракрасного излучения светодиода датчика от окружающих предметов.
Предназначен для установки в механических приборах для определения расстояния до подвижных деталей конструкции. Оптоэлектронный датчик расстояния Sharp GP2Y0A21YK0F удобно использовать в робототехнических проектах. Расстояние обнаружения составляет от 100 до 550 см. Позволит предотвратить столкновение робота с препятствием.
Датчики положения
Гироскоп
позволит определить положение и перемещение прибора в пространстве: углы крена, дифферента (тангажа) ориентируясь по вектору силы тяжести и скорости вращения. При перемещении определяет линейное ускорение и угловую скорость вокруг собственных осей X, Y и Z и дает полную картину положения.
Наиболее распространенный модуль на основе чипа MPU6050. Модуль состоит из акселерометра, гироскопа и температурного сенсора.
Климатические датчики
Цифровой датчик температуры и влажности позволяет измерять температуру и влажность окружающей среды.
Самые распространенные датчики: . По сравнению с датчиком DHT11, датчик DHT22 обладает высокой точностью измерения и позволяет измерять температуры ниже 0.
Датчик давления
позволяет измерять атмосферное давление. К самым доступным датчикам давления относят датчик BMP180. Датчика имеет I2C интерфейс поэтому его можно подключить к любой платформе из семейства Arduino.
Датчики газа
Газовые анализаторы
позволяют обнаружить утечки пропана, бутана, метана и водорода. Также могут быть использованы для контроля задымленности помещений. В результате измерений датчик генерирует аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию газа. Качество измерений зависит температуры и влажности окружающей среды. Таким набором характеристик обладает датчик широкого спектра газов MQ-2
.
Датчики света
Датчик освещенности
позволит нашему роботу отличать день от ночи, солнечную погоду от пасмурной, тень от света. При грамотной настройке и доработке схемы подключения позволит ориентировать солнечные панели аппарата на солнце.
Привод — это механизм для приведения в действие оборудования по управлению технологическими процессами с использованием электрических, пневматических или гидравлических сигналов. Это важная часть в робототехнике. Приводы, используемые в роботах, влияют на их целесообразность и производительность. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим 7 самых распространенных приводов, которыми можно оснастить роботов различного предназначения.
Бесщеточный двигатель постоянного тока
Начнем с электрических двигателей. Бесщеточный или бесколлекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти актуаторы используются практически в любых роботах.
Достоинства БДП следующие:
- Быстродействие относительно характеристик вращающего момента;
- Более высокая частота вращения;
- Высокие динамические характеристики;
- Длительный срок службы;
- Бесшумная работа.
Недостатки:
- Сложный и дорогостоящий регулятор скорости;
- Не работает без электроники.
Синхронный привод
Данный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Данные приводы используются в выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности от 3 до 6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.
Преимущества:
- Высокая экономичность;
- Удобство сборки и хорошие регулировочные свойства;
- Очевидна целесообразность применения синхронного привода для механизмов, не требующих регулирования скорости.
Недостатки:
- Применение синхронного двигателя затруднено, если механизмы обладают большими маховыми массами, где необходимо иметь регулируемый или двойной привод;
- Не имеет начального пускового момента. Следовательно, для его пуска необходимо разогнать ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.
Асинхронный двигатель
Этот электропривод для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую также выгоден по ряду причин. Сам термин «асинхронный» означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у этих двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.
Преимущества:
- Простота и надежность из-за отсутствия коллектора;
- Низкая стоимость;
- Значительно низкая масса;
- Меньшие габариты.
Недостатки:
- Могут перегреваться, особенно под нагрузкой;
- Невозможность стабильно держать частоту вращения;
- Относительно небольшой пусковой механизм.
Шаговый двигатель
Шаговый двигатель - привод, в последнее время часто используемый в робототехнике. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе вращения. Как известно, перечисленные ранее двигатели вращаются непрерывно. Но шаговые приводы вращаются «шагами». Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит от механического устройства мотора и от способа управления.
Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для работы систем точного позиционирования. Поэтому эти двигатели очень часто используются в станках с ЧПУ и роботах.
Преимущества:
- Главное преимущество - точность работы. При подаче потенциалов на обмотки двигатель повернется строго на определенный угол;
- Низкая стоимость;
- Подходит для автоматизации отдельных механизмов и систем, где нет необходимости в высокой динамике.
Недостатки:
- Присутствует проблема «проскальзывания» ротора при повышенной нагрузке на вал;
- Ограничение шагов (максимум 1000 об/мин).
Сервопривод
Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. Находят широкое применение в различных секторах робототехники - от самодельных механизмов до сложных андроидов.
В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.
Преимущества:
- Более высокая скорость вращения;
- Высокая мощность;
- Позиция механизма всегда на виду и доступна для корректирования.
Недостатки:
- Сложная система подключения и управления;
- Требует квалифицированного обслуживания;
- Высокая стоимость.
Пневматический привод
Двигатель, приводящий в движение механизмы через энергию сжатого воздуха. Основной компонент здесь - компрессор. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте - скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов в минуту.
Этот тип привода все чаще используется в робототехнике, так как имеет низкую плавность хода и точность срабатывания. Наиболее рационально использовать его для механизмов с двумя состояниями - втягивания и выталкивания или закрывания и открывания.
Преимущества:
- Простота и экономичность;
- Рабочее тело не ограничено заданным объемом и может пополняться в случае утечки;
- Вместо компрессора можно использовать баллон со сжатым газом, что упрощает построение пневматической системы;
- Менее чувствителен к изменениям температуры окружающей среды.
Недостатки:
- Более низкий КПД;
- Высокая стоимость пневматической энергии по сравнению с электрической;
- Нагревание и охлаждение рабочего газа в компрессорах, что может привести к возможности обмерзания систем или наоборот конденсации водяных паров из рабочего газа.
Гидравлический привод
Если робот должен работать с грузами более 100кг, следует задуматься об использовании гидравлического привода. Этот тип двигателя для приведения в движения исполнительного органа использует жидкость. Принцип работы гидропривода состоит в насосе, который создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, соединенной с гидродвигателем. Двигатель преобразует давление жидкости в механическое. При этом, регуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя.
Эти приводы применяются в основном в промышленной робототехнике. Но есть случаи их использования и в других прототипах, к примеру, в известном детище DARPA - роботе BigDog.
Преимущества:
- Небольшие размеры и масса;
- Высокая производительность - развивает силу в 25 раз выше, чем пневмопривод аналогичного размера;
- Плавное регулирование силы;
- Рабочая температура - от -50 до +100С.
Недостатки:
- При высоком давлении возможны утечки жидкости;
- Высокая стоимость оборудования и обслуживания;
- Непрерывное потребление энергии;
- Сложно отслеживать точность работы.
Это были самые основные типы приводов, которые наиболее используются в современной робототехнике.
