Il cuore del movimento dei robot: il ruolo decisivo dei motori nella precisione

 

Motori come hardware principale che guida il movimento del robot

In quanto fonte di coppia motrice, i motori sono fondamentali nell'applicazione dei giunti dei robot. Un motore, comunemente denominato "motore", è un dispositivo che converte o trasmette energia elettrica secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, rappresentata dalla lettera "M" nei circuiti. La sua funzione principale è generare coppia motrice, fornendo energia a vari apparecchi elettrici e dispositivi meccanici.

 

Nel campo della robotica, il sistema articolare è un componente chiave per realizzare vari movimenti, con i motori articolari considerati l'unità di esecuzione dell'intero sistema. Un giunto robotico completo include in genere un driver, un controller e un motore del giunto. Il motore articolare non deve solo svolgere compiti come ridurre la velocità, trasmettere e aumentare la coppia, ma deve anche controllare il movimento dell'articolazione con elevata precisione.

 

Il motore articolare del robot influenza direttamente azioni complesse come camminare, correre e saltare. È conosciuto come il "cuore" del robot e le sue prestazioni svolgono un ruolo decisivo nella precisione e nell'efficienza del robot.

 

Motore coreless: la forza trainante dietro la tecnologia dei giunti robotici

Negli ultimi anni, i motori coreless sono diventati gradualmente i preferiti nel campo della robotica grazie alle loro caratteristiche di elevata efficienza, leggerezza e risposta rapida. Rispetto ai motori tradizionali, i motori coreless, grazie al rotore che adotta una struttura a tazza cava e un'inerzia estremamente bassa, possono rispondere in modo più sensibile ai segnali di controllo. Questa funzionalità è ideale per i giunti dei robot, soprattutto in scenari che richiedono movimenti rapidi e precisi, come i robot umanoidi che eseguono azioni sottili o complesse.

 

Storia e applicazione diffusa dei motori

La storia dei motori risale al XIX secolo. Nel 1820, il fisico danese Hans Christian Ørsted scoprì l'effetto magnetico delle correnti elettriche, ponendo le basi per la teoria elettromagnetica. L'anno successivo, lo scienziato britannico Michael Faraday creò il primo modello sperimentale di motore elettrico. Da allora, la tecnologia dei motori si è sviluppata continuamente e gradualmente è diventata una parte indispensabile della produzione industriale e della vita quotidiana.

 

I motori tradizionali sono generalmente costituiti da un avvolgimento dello statore, un'armatura o rotore rotante e altri accessori. Attraverso il campo magnetico rotante generato dall'avvolgimento dello statore, l'armatura produce corrente e ruota sotto la forza del campo magnetico. Questo principio di progettazione è stato portato avanti fino ad oggi, ma i motori di nuova generazione, come i motori coreless, hanno fatto passi avanti rivoluzionari nei materiali e nella struttura, facendoli brillare nella tecnologia dei robot.

 

Grafico: storia dello sviluppo dei motori

 

 

Esistono varie tipologie di motori che possono essere classificati in base a diverse dimensioni, come campo di applicazione, caratteristiche strutturali e principi di funzionamento. Le principali classificazioni sono le seguenti:

• Per tipo di potenza di lavoro: motori DC e motori AC.
• Per struttura e principio di funzionamento: inclusi motori CC, motori asincroni e motori sincroni.
• Per applicazione: motori di azionamento, motori di controllo, ecc.

 

Prendendo come esempio i motori CC, la loro struttura è tipicamente costituita da statore e rotore:

• Statore: La parte fissa del motore che genera il campo magnetico.
• Rotore: il componente principale responsabile della rotazione e della conversione dell'energia, chiamato anche armatura, che è il fulcro di uscita della potenza del motore.

Similmente ai motori CC, anche i motori CA sono costituiti dallo statore e dal rotore come componenti principali, oltre all'involucro e ad altre parti ausiliarie. Che si tratti di motori CC o CA, il coordinamento di questi componenti principali determina le prestazioni del motore.

 

Nella tecnologia dei robot si sono distinti i motori senza nucleo. Il loro design esclusivo rimuove il nucleo di ferro, consentendo allo statore e al rotore di adattarsi in modo più leggero e compatto, il che non solo riduce l'inerzia ma migliora anche la velocità di risposta e l'efficienza, rendendoli perfetti per giunti robot di alta precisione e di piccolo volume.

 

Motori integrati: la combinazione perfetta tra dimensioni ridotte e maggiore efficienza

I motori possono funzionare come componenti autonomi, ma in molti dispositivi moderni sono spesso integrati con altre parti per formare sistemi efficienti e unificati. Questo design integrato non solo riduce le dimensioni complessive del dispositivo, ma migliora anche l'utilizzo dello spazio e le prestazioni. Per esempio:

• Azionamento elettrico tre in uno: l'integrazione di motore, riduttore e controller del motore insieme, ampiamente utilizzata nei veicoli elettrici, riduce significativamente le dimensioni e il peso del dispositivo.
• Azionamento elettrico sei in uno: oltre al motore, al riduttore e al controller, include un convertitore DC/DC, un caricabatterie e una scatola di distribuzione, ottimizzando ulteriormente l'utilizzo dello spazio.
• Trasmissione elettrica otto in uno: integra ulteriormente il sistema di gestione della batteria e il controller del veicolo, fornendo una soluzione più compatta ed efficiente per i veicoli elettrici.

Nel campo dei robot umanoidi, l'applicazione di motori coreless non solo realizza la guida ad alta precisione dei giunti del robot, ma promuove anche il design leggero e compatto della struttura del robot. Ad esempio, l'integrazione di un motore senza nucleo con un riduttore e un controller può ridurre efficacemente l'occupazione dello spazio articolare migliorando al tempo stesso la velocità di risposta e l'affidabilità dell'intero sistema.

 

Nella tecnologia robotica, la scelta del motore determina direttamente le prestazioni e l'efficacia applicativa dell'apparecchiatura. I motori comunemente utilizzati nei robot comprendono principalmente i seguenti tre tipi: motori CC, servomotori e motori passo-passo.

 

3.1 Motori CC

I motori DC sono ampiamente utilizzati in vari campi e si dividono principalmente in due tipologie: motori DC con spazzole e motori DC senza spazzole.

 

3.1.1 Motori CC con spazzole

I motori CC con spazzole rappresentano una tecnologia di motori precedente, con le seguenti caratteristiche:

• Struttura semplice, basso costo: fare affidamento sul contatto tra spazzole e rotore per ottenere la funzione di commutazione.
• Requisiti di azionamento bassi: la velocità del motore è direttamente proporzionale alla tensione applicata, quindi il controllo è più intuitivo.

 

Svantaggi:

• L'usura delle spazzole comporta la necessità di una manutenzione frequente.
• Durante il funzionamento si generano facilmente interferenze elettromagnetiche, con un'affidabilità relativamente bassa.
• Durata di vita più breve, rendendolo meno attraente nella progettazione dei robot.

 

3.1.2 Motori CC senza spazzole

I motori CC senza spazzole sono una versione aggiornata dei motori CC, eccellendo sotto diversi aspetti:

• Uso del magnete permanente: durevole, di piccole dimensioni e relativamente basso costo.
• Commutazione elettronica: sostituisce le spazzole tradizionali per ottenere la commutazione del campo magnetico, migliorando l'efficienza e l'affidabilità.
• Controllo preciso: attraverso i sensori di feedback della posizione (come sensori Hall, encoder ottici o dispositivi di rilevamento EMF posteriore), i motori CC senza spazzole possono controllare la velocità e la posizione in modo più preciso.

 

Sebbene il circuito di controllo sia più complesso, i motori CC senza spazzole superano significativamente le prestazioni e la durata dei motori con spazzole, rendendoli il tipo di motore preferito per gli azionamenti dei giunti dei robot. In particolare, i motori CC senza spazzole coreless, con la loro elevata efficienza, bassa inerzia e risposta rapida, sono particolarmente adatti per applicazioni robotiche che richiedono elevata precisione e design leggero.

3.2 Servomotori

I servomotori, noti anche come motori attuatori, sono i componenti principali nei sistemi di controllo automatico. Le loro caratteristiche includono:

• Posizionamento ad alta precisione: raggiunge lo spostamento angolare o la velocità angolare sull'albero ricevendo segnali di impulso.
• Controllo a circuito chiuso: i servomotori possono inviare segnali di impulso corrispondenti all'angolo di rotazione, formando un sistema a circuito chiuso combinando i segnali di ingresso, ottenendo così un controllo preciso della rotazione.
• Classificazione CC e CA: i servomotori sono suddivisi in servomotori CC e servomotori CA. Sebbene vi siano lievi differenze nelle prestazioni e negli scenari applicativi, entrambi possono regolare con precisione la velocità e la posizione in base ai segnali di controllo.
• Le caratteristiche di alta precisione dei servomotori li rendono ampiamente utilizzati nelle operazioni di precisione degli effettori finali robotici, come bracci robotici e dita robotiche.

3.3 Motori passo-passo

I motori passo-passo sono componenti di controllo ad anello aperto che convertono i segnali di impulsi elettrici in spostamento angolare o spostamento lineare. Le loro caratteristiche includono:

• Controllo passo: ogni volta che viene ricevuto un segnale di impulso, il motore ruota di un angolo fisso in base all'angolo passo impostato.
• Non è necessario l'anello chiuso: i motori passo-passo possono ottenere un controllo preciso dello spostamento angolare attraverso segnali di impulsi elettrici continui senza feedback di posizione.
• Conveniente: rispetto ai servomotori, i motori passo-passo sono meno costosi e sono adatti per applicazioni con requisiti di precisione inferiori.
• I motori passo-passo sono comunemente utilizzati in componenti a basso costo nelle strutture dei robot, come giunti semplici, trasmissioni per nastri trasportatori e altro ancora.

 

Il robot umanoide Tesla Optimus utilizza 28 attuatori, con 14 attuatori lineari e 14 attuatori rotazionali. Questi attuatori hanno il compito di supportare il robot nell'esecuzione di azioni complesse come l'andatura e la presa. In generale, i robot bipedi devono essere dotati di 30-40 servomotori CC, di dimensioni compatte e che devono soddisfare requisiti di alta potenza, alta densità e risposta rapida.

 

Optimus utilizza tre tipi di attuatori lineari e tre tipi di attuatori rotazionali. Tra questi, gli attuatori lineari includono motori torque senza nucleo e viti a ricircolo di sfere planetarie, mentre gli attuatori rotativi combinano motori torque senza nucleo e riduttori armonici. La distribuzione specifica degli attuatori è la seguente:

• Spalla: 6 attuatori rotazionali
• Gomito: 2 attuatori lineari
• Polso: 2 attuatori lineari rotazionali + 4
• Torso: 2 attuatori rotanti
• Anca: 4 attuatori lineari + 2 rotanti
• Ginocchio: 2 attuatori lineari
• Caviglia: 4 attuatori lineari

Questa distribuzione degli attuatori garantisce la flessibilità e la stabilità del robot in ambienti complessi.

 

Un motore torque senza nucleo è un servomotore leggero e ad alta efficienza, progettato specificamente per giunti robotici e altre applicazioni di precisione. La sua struttura unica fornisce le seguenti caratteristiche notevoli:

• Design modulare, facile da integrare: il motore torque senza nucleo è costituito da uno statore e un rotore, senza il tradizionale alloggiamento del motore. Questo design consente agli ingegneri di personalizzare l'alloggiamento, i cuscinetti e i componenti del sensore in base alle proprie esigenze, rendendolo adattabile a varie strutture di sistema.
• Dimensioni compatte, peso leggero: rispetto ai motori con carter, il motore senza nucleo riduce significativamente le dimensioni e il peso complessivi, rendendolo ideale per i sistemi che richiedono soluzioni integrate.
• Prestazioni elevate e risposta rapida: grazie al suo design unico, il motore senza nucleo offre una risposta dinamica rapida, soddisfacendo le esigenze di movimento articolare di alta precisione ed efficienza energetica dei robot moderni.

Grazie a queste caratteristiche, il motore torque coreless è ampiamente utilizzato nei settori della guida ad alte prestazioni, tra cui la robotica, l'automotive, l'aerospaziale e le apparecchiature mediche.

 

Il motore a tazza senza nucleo è un componente chiave delle abili mani del robot umanoide, particolarmente adatto per le articolazioni delle dita in scenari che richiedono spazio limitato e alta precisione. Le articolazioni delle dita in genere necessitano di motori miniaturizzati che forniscono una forza notevole garantendo al contempo leggerezza e alta precisione. I principali produttori di robot, come Tesla, adottano ampiamente la soluzione del motore a tazza senza nucleo, fornendo il supporto di potenza ideale per la destrezza della mano del robot.

 

Vantaggi principali dei motori a tazza senza nucleo

Design senza cogging, migliora la precisione e il funzionamento regolare: il motore a tazza senza nucleo adotta un design senza nucleo e senza cogging, eliminando completamente le vibrazioni e il rumore causati dall'effetto cogging riscontrato nei motori tradizionali. Questa caratteristica migliora significativamente la fluidità del funzionamento del motore, rendendolo eccezionalmente adatto per il controllo del movimento ad alta precisione nelle articolazioni delle dita dei robot umanoidi.

 

Alta efficienza e risposta rapida: il motore a tazza senza nucleo rompe la tradizionale struttura del motore con nucleo in ferro adottando un design del rotore senza nucleo, riducendo notevolmente le perdite di correnti parassite e migliorando l'efficienza del motore. Nel frattempo, la leggerezza del rotore gli conferisce eccellenti capacità di avviamento e frenata, offrendo prestazioni di risposta dinamica che soddisfano le precise esigenze di azioni complesse.

 

Risparmio energetico e affidabilità: eliminando la perdita di energia riscontrata nei motori con nucleo in ferro, il motore a tazza senza nucleo dimostra eccezionali prestazioni di risparmio energetico. Inoltre, la sua struttura semplificata riduce l'attrito meccanico, migliorando ulteriormente la durata e l'affidabilità, garantendo prestazioni stabili anche in operazioni ad alta frequenza.

 

Applicazione flessibile in scenari miniaturizzati: con le sue dimensioni compatte e il design leggero, il motore a tazza senza nucleo è ideale per unità di movimento in miniatura come le articolazioni delle dita e del polso nei robot umanoidi. Inoltre, il design privo di cogging e l'elevata efficienza lo rendono ampiamente applicabile in campi quali apparecchiature mediche, strumenti di precisione e aerospaziale.

 

Sviluppo tecnologico e prospettive future

Il motore a tazza senza nucleo, che integra efficienza energetica, alta precisione e stabilità, rappresenta un dispositivo di conversione dell'energia ad alte prestazioni. Con il continuo progresso della tecnologia robotica, il motore a tazza senza nucleo ottimizzerà ulteriormente la potenza erogata e il rapporto volumetrico, spingendo le abili mani del robot umanoide verso applicazioni più efficienti in diversi scenari.

 

Continua a leggere:Perché i robot umanoidi aprono un nuovo oceano blu per le applicazioni con motori coreless - Parte 1