Wie Motorantriebsinnovationen dabei helfen können, Herausforderungen beim Design von Roboterbewegungen zu lösen

Von der Unterstützung bei chirurgischen Eingriffen bis hin zum Heben von Tausenden von Kilogramm in Produktionsanlagen erleichtern Roboter viele Aspekte unseres Lebens. Der Einfluss von Robotern auf die moderne Welt ist offensichtlich, aber haben Sie jemals darüber nachgedacht, wie Robotersysteme solch präzise, ​​schnelle und kraftvolle Bewegungen erreichen? Wenn die Antwort über den Motor erfolgt, herzlichen Glückwunsch!

Roboter neigen dazu, Operationen nachzuahmen, die von Menschen ausgeführt würden; Daher besteht ihre Funktion hauptsächlich darin, Position und Ausrichtung durch irgendeine Form von Verschiebung oder Drehung anzupassen, typischerweise durch Motoren.

Während sich herkömmliche Robotikanwendungen hauptsächlich auf mechanische Betätigung konzentrierten (z. B. Armmanipulation oder Förderbandschleifen), sind moderne Anwendungen viel einfacher, z. B. Kamerarotation oder präzise mechanische Strahllenkung für Lidar-Sensoren. Sie werden vielleicht überrascht sein, dass die grundlegendsten Anwendungen von Elektromotoren Lüfter und Pumpen sind, sie spielen jedoch tatsächlich eine wichtige Rolle in der Kühlung und Hydraulik.

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Beispielsweise besteht ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) in einem Roboterarmgelenk (siehe Abbildung 1) typischerweise aus einem rotierenden Rotor und einem stationären Stator. Durch Anlegen eines elektrischen Signals zur Erregung der Spulenwicklungen am Stator wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine Magnetkraft erzeugt, die den Rotor bewegt, der wiederum die Gelenke im Roboterarm dreht. Durch die rationelle Nutzung elektronischer Signale bewegt sich der Roboterarm nicht nur, sondern bewegt sich auch mit einer bestimmten Geschwindigkeit, Positionsgenauigkeit und einem bestimmten Drehmoment.

Abbildung 1: Querschnittsansicht der BLDC-Motorstruktur

Wie Elektromotoren die nächste Robotergeneration antreiben werden

Neben präzisen und leistungsstarken Bewegungsaufgaben optimieren Fortschritte bei Motorsteuerungshalbleitern wie Mikrocontrollern (MCUs) und integrierten Motortreibern die Bewegung von Robotern, und das Erreichen dieses Ziels steht vor vier großen Herausforderungen.

Herausforderung 1: Steigende Sicherheitsanforderungen für die Mensch-Maschine-Kollaboration
Früher mussten Menschen und Roboter aus Sicherheitsgründen strikt getrennt werden, oft durch die Unterbringung der Roboter in Käfigen. Die zunehmende Automatisierung erfordert eine engere Zusammenarbeit und Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Kollaborative Roboter tragen zur Verbesserung der Arbeitseffizienz bei, erfordern jedoch Motoren, die sichere Stopps, sichere Geschwindigkeiten, Drehmoment und Bewegungssteuerung gewährleisten können.

Geräte wie der C2000™ 32-bit TMS320F28P650DK MCU spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfüllung von Sicherheitsanforderungen. Diese Geräte sind für funktionale Sicherheit zertifiziert und können Sicherheitsperipheriegeräte für die Diagnose integrieren, wodurch Designs gemäß der Norm 10218 der International Organization for Standardization (ISO) vereinfacht werden. Auf der analogen Seite des Spektrums können intelligente Gate-Treiber wie der DRV8353F Ingenieuren dabei helfen, ihre Sicherheitsziele mit TÜV SÜD-zertifizierten technischen Berichten zu erreichen. Dieses Supportdokument führt Ingenieure durch die Entwurfsschritte, die erforderlich sind, um eine sichere Drehmomentabschaltung gemäß der IEC-Norm 61800-5-2 zu erreichen. Ob es sich um eine MCU oder einen Gate-Treiber handelt, es gibt bestimmte Komponenten, die den Designprozess vereinfachen und funktional sichere Motorsysteme ermöglichen können.

Herausforderung 2: Gewicht reduzieren, Verkabelung vereinfachen und Kosten senken durch dezentrale Motorarchitektur
Die Motorelektronik verlagert sich von Schaltschränken hin zur direkten Integration in Robotergelenke, was zur Gewichtsreduzierung, Vereinfachung der Verkabelung und Reduzierung der Systemkosten beiträgt. Dieser Trend hat Komponentenhersteller dazu veranlasst, Lösungen zu entwickeln, die mehr Funktionen in kleinere integrierte Schaltkreispakete integrieren können. Platzbeschränkungen erfordern auch eine höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz.

Galliumnitrid-FETs wie der LMG3422R050 verfügen über integrierte Gate-Treiber, die den Wirkungsgrad der Leistungsstufe auf über 99 % steigern können, sodass integrierte Motoren den Bedarf an Kühlkörpern reduzieren oder ganz überflüssig machen können. Mithilfe von Echtzeit-Kommunikationsperipheriegeräten und einer Absolutwertgeberschnittstelle können Systeme, die MCUs wie den TMS320F28065 verwenden, pulsweitenmodulierte Signale mit Pikosekundenauflösung erzeugen. Diese Funktionen reduzieren den Verkabelungsaufwand von mehr als 10 Kabeln pro Motor auf insgesamt zwei Busse für den gesamten Arm. Durch die Verwendung einer MCU und GaN-FETs in dieser Konfiguration können Entwickler die kabelgebundene Konnektivität optimieren, indem sie Single-Pair-Ethernet-Funktionalität über einen Ethernet-Physical-Layer-Transceiver wie den DP83TG721 hinzufügen.

Herausforderung 3: Die Automatisierung präziser Bewegungsaufgaben erfordert eine höhere Präzision und Genauigkeit
Die Produktminiaturierung hat sich bei vielen Anwendungen auf die Wahl des Motors (Servo-, Schritt- oder bürstenloser Gleichstrommotor) ausgewirkt, und die Komplexität der Motorsteuerung und Positionsrückmeldung hat zugenommen, um die präzise Bewegung zu erreichen, die für die Interaktion mit diesen kleinen Motoren erforderlich ist Produkte. Halbleiterinnovationen ermöglichen es, die für die Produktminiaturisierung erforderliche höhere Präzision zu erreichen. Stromsensoren wie der AMC3306 verfügen beispielsweise über eine Offsetspannung von  50 µV und ein integriertes Netzteil. Die Kombination dieser Funktionen in einem einzigen Gehäuse verbessert die Genauigkeit des Regelkreises und reduziert die Gesamtgröße der Leiterplatte.

Herausforderung 4: Optimieren Sie die Energieeffizienz für batteriebetriebene mobile Anwendungen
Anstatt nur an einem Ort stationär zu sein, werden Roboter mobil und helfen dabei, Pakete autonom auszuliefern und das Gelände sicher zu erkunden. Aktuelle und zukünftige Halbleiter, die in Sensor-, Verarbeitungs- und Echtzeitsteuerungsanwendungen eingesetzt werden, müssen hohe Leistung und Energieeffizienz in Einklang bringen, um eine angemessene Batterielebensdauer und mögliche Reichweite zu gewährleisten.

Das Erreichen einer hohen Energieeffizienz muss weder komplex sein, noch erfordert es komplexe Designansätze mit mehreren diskreten Komponenten. Beispielsweise kann eine Einzelmotorsteuerung wie der MCT8316A kleine Pumpen- und Lüftermotoren effizient betreiben, indem sie die Anzahl der stromverbrauchenden Komponenten im Roboter reduziert. Dieses hochintegrierte Gerät umfasst sechs Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, die eine Halbbrücken-Leistungsstufe zur Bereitstellung von Motorstrom bilden, und einen digitalen Kern, der eine einfache Leitermotorsteuerung ohne Schreiben von Code ermöglicht.

Wie sehen die zukünftigen Entwicklungsperspektiven der Motorsteuerung aus?

Die Roboter der Zukunft werden unvorstellbar sein. Sie können problemlos Aufgaben erledigen, die heute unmöglich erscheinen – häufig in den tiefsten Tiefen des Ozeans operieren oder sich in das Unbekannte des Weltraums wagen. Neue Designs werden wahrscheinlich immer fortschrittlichere Sensoren beinhalten, wie wir es derzeit bei der Lidar- und Ultraschalltechnologie sehen. Die Art und Weise, wie wir mit Robotern kommunizieren, könnte sich sogar ändern, von den kabelgebundenen Robotern der Vergangenheit bis hin zu heute stärker softwareorientierten Lösungen. Eine verbesserte Zugänglichkeit ermöglicht eine zuverlässigere Steuerung von Robotern durch Sprache, visuellen Ausdruck oder einfach nur Gedanken. Im Zuge dieser Entwicklung entwickeln sich mit der Weiterentwicklung der Robotertechnologie und -anwendungen auch die Motoren weiter, die für den Antrieb ihrer Bewegungen erforderlich sind.